DE10227141B4

DE10227141B4 - Verfahren zur Herstellung eines Siliziumwafers mit einer denudierten Zone und damit hergestellter Siliziumwafer

Info

Publication number: DE10227141B4
Application number: DE10227141A
Authority: DE
Inventors: Jea-gun Park
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2001-06-28
Filing date: 2002-06-18
Publication date: 2012-11-29
Anticipated expiration: 2022-06-19
Also published as: US20030068890A1; KR20040076841A; CN1254855C; US6503594B2; CN100510200C; KR20030002300A; US6676753B2; MY129698A; SG123642A1; DE10227141A1; SG118139A1; KR100486311B1; US20010055689A1; JP2003051504A; US6780238B2; US20030044622A1; TW513741B; CN1393914A; JP2011258973A; CN1782141A

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Siliziumwafers, wonach: ein schneller thermischer Anlassprozess (RTA) an einem Siliziumwafer mit einer oberen Oberfläche und einer Bodenfläche in einer Atmosphäre einer Gasmischung durchgeführt wird, die ein Gas enthält, welches eine Gitterloch-Injektionswirkung besitzt, und ein Gas enthält, welches eine Zwischengitterplatz-Silizium-Injektionswirkung an der oberen Oberfläche und der Bodenfläche des Siliziumwafers besitzt, und wobei der Prozess zwischen etwa 1100°C und etwa 1120°C durchgeführt wird, um Keimbildungszentren zu erzeugen, die als Sauerstoffabscheidungs-Wachstums-Stellen während der nachfolgenden Wärmebehandlung dienen und zwar in einem Keimzentrums-Konzentrationsprofil von der oberen Oberfläche zur Bodenfläche des Wafers hin, wobei das Keimzentrums-Konzentrationsprofil folgendes aufweist: eine erste und eine zweite Spitze in einer ersten und einer zweiten vorbestimmten Tiefe jeweils von der oberen Oberfläche und der Bodenfläche des Wafers aus; eine Zone mit einer vorbestimmten Keimzentrumskonzentration, die niedriger liegt als eine kritische Konzentration und zwar zwischen der oberen Oberfläche des Wafers und der ersten Spitze und...

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für Siliziumwafer mit denudierter Zone sowie einen damit hergestellten Siliziumwafer.
Hintergrund der Erfindung
Einkristallines Silizium, welches das Ausgangsmaterial bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen darstellt, wird in einem zylinderförmigen Block mit Hilfe einer Kristallwachstumstechnik wachsen gelassen, die als Czochralski-(CZ)-Technik bezeichnet wird. Der Block oder Ingot aus dem monokristallinen Silizium wird in Wafer verarbeitet, und zwar mit Hilfe einer Reihe von Waferherstellungsprozessen, wie beispielsweise Scheibenbildung, Ätzen, Reinigen, Polieren und ähnlichem. Gemäß der CZ-Technik wird ein Kristallkeim aus einkristallinem Silizium in geschmolzenes Silizium eingetaucht und wird nach oben gezogen und das geschmolzene Silizium wächst dann zu einem einkristallinen Block, und zwar durch langsames Herausziehen. Das geschmolzene Silizium ist in einem Quarzschmelztiegel enthalten und ist mit einer Vielfalt an Fremdstoffen verunreinigt, von denen einer aus Sauerstoff besteht. Bei der Schmelztemperatur von Silizium durchdringt der Sauerstoff das Kristallgitter, bis dieser eine vorbestimmte Konzentration erreicht, die im allgemeinen durch die Lösbarkeit von Sauerstoff in Silizium festgelegt ist, und zwar bei der Schmelztemperatur von Silizium, und auf Grund des vorhandenen Segregationskoeffizienten von Sauerstoff in verfestigtem Silizium. Die Sauerstoffkonzentration, die den Siliziumblock während des Kristallwachstums durchdringt, ist größer als die Lösbarkeit von Sauerstoff in ausgehärtetem Silizium bei typischen Temperaturen, die bei der Herstellung der Halbleitervorrichtung verwendet werden. Der Kristall wächst aus dem geschmolzenen Silizium heraus und kühlt ab, wobei die Lösbarkeit von Sauerstoff in demselben rapide abnimmt, wodurch eine Sättigung des Sauerstoffes in dem abgekühlten Block eintritt.
Der Block wird dann in Wafer aufgeteilt. Der verbleibende Zwischengittersauerstoff in den Wafern wächst dann zu Sauerstoffabscheidungen, und zwar während der nachfolgenden thermischen Prozesse. Das Vorhandensein von Sauerstoffabscheidungen in der aktiven Zone der Vorrichtung kann die Gateoxidintegrität verschlechtern und/oder kann einen unerwünschten Substratleckstrom verursachen. Wenn jedoch diese Abscheidungen außerhalb der aktiven Zone der Vorrichtung vorhanden sind (das heißt in der massigen Zone), können sie metallene Verunreinigungen gettern, die aus der Verarbeitung der Vorrichtung entstehen. Diese wünschenswerte Funktion wird als Getterung bezeichnet.
1 zeigt eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Metalloxidhalbleitertransistors (MOS). Wenn gemäß 1 die Sauerstoffabscheidungen an der Waferoberfläche in einer Kanalzone existieren, die in einer aktiven Zone der Halbleitervorrichtung zwischen einer Sourcezone 12 und einer Drainzone 14 gelegen ist, die nahe der Oberfläche eines Siliziumsubstrats 10 ausgebildet sind, können eine Gateisolierschicht 16 zum elektrischen Isolieren einer Gateelektrode 18 und des Siliziumsubstrats 10 durchbrochen bzw. durchschlagen werden. Zusätzlich kann sich die Wiederauffrischeigenschaft einer Speichervorrichtung, die den MOSFET verwendet, verschlechtern.
Auch können die Sauerstoffabscheidungen, die in der massigen Zone 10a des Wafers gebildet werden, die durch eine nachfolgende Wärmebehandlung hervorgerufen werden, als eine Leckagequelle wirken und können als interne Getterungstellen wirken, welche die Fähigkeit haben, unerwünschte oder ungünstige Metallverunreinigungen während der nachfolgenden Herstellung der Halbleitervorrichtung einzufangen. Wenn somit die Konzentration von Sauerstoff in dem Block hoch ist, kann die Konzentration der Sauerstoffabscheidungen, die als innere Getterungstellen wirken, zunehmen, so dass dadurch die Getterungsfähigkeit zunimmt.
Wenn jedoch die Sauerstoffkonzentration nicht ausreichend ist, können Sauerstoffabscheidungen in der massigen Zone nicht erzeugt werden, so dass die Getterungsfähigkeit reduziert werden kann oder überhaupt nicht vorhanden sein kann. Es kann somit wünschenswert sein, in richtiger Weise die Menge der Sauerstoffabscheidungen zu steuern, die in der massigen Zone des Wafers verteilt sind.
Bei einem Wafer, der durch ein herkömmliches Kristallwachstum und Wafererzeugungsprozess erhalten wurde, verteilen sich die Sauerstoffabscheidungen durch den Wafer hindurch, und zwar von der oberen Oberfläche (Frontseite) zur Bodenfläche hin (rückwärtige Seite). Im allgemeinen sollte eine denudierte Zone (DZ) 10b von der oberen Oberfläche bis zu einer vorbestimmten Tiefe aus vorgesehen werden, die frei ist von D-Defektstellen (Gitterlochagglomeraten), Fehlverschiebungen oder Fehlversetzungen, Stapelfehlern und Sauerstoffabscheidungen. Jedoch können Wafer, die mit Hilfe der herkömmlichen Verfahren hergestellt wurden, Sauerstoffabscheidungen nahe der Oberfläche des Wafers erzeugen, die als eine Quelle für einen Leckstrom wirken können.
Um daher innere Getterungsstellen in der massigen Zone des Wafers auszubilden, und zwar mit einer ausreichenden DZ nahe der Oberfläche des Wafers, kann ein Wafer, der eine hohe Sauerstoffkonzentration enthält, beispielsweise eine anfängliche Sauerstoffkonzentration von 13 Teilen pro Million Atomen (ppma) oder noch mehr, thermisch für eine lange Zeitdauer verarbeitet werden, indem man die Temperatur zwischen niedrigem und hohem Wert ändert, derart, dass die Sauerstoffabscheidungen in der massigen (bulk) Zone des Wafers erzeugt werden. Es kann jedoch schwierig sein, eine ausreichende DZ zu erzielen, da die DZ stark von der Auswärtsdiffusion des Zwischengittersauerstoffs abhängt. Bei einem Halbleiterwafer, der mit Hilfe dieser herkömmlichen Technik verarbeitet wurde, kann das Sauerstoffabscheidungskonzentrationsprofil durch den Wafer hindurch, und zwar von der oberen Oberfläche zur Bodenfläche des Wafers hin, so verlaufen, wie dies in 2 veranschaulicht ist.
Speziell können herkömmliche Techniken, bei denen ein zusätzlicher Hochtemperaturtemperungsprozess für eine lange Zeitdauer durchgeführt wird, die Eigenschaften der Vorrichtung verschlechtern. Beispielsweise kann eine Gleitung (slippage) oder eine Verwerfung in dem Wafer auftreten. Darüber hinaus können die Herstellungskosten zunehmen. Auch können in solch einem Fall Metallverunreinigungen und speziell Eisen (Fe), die durch die Sauerstoffabscheidungen in der massigen Zone eingefangen werden, in die DZ durch einen nachfolgenden Prozess freigesetzt werden, so dass die freigesetzten oder freigegebenen Verunreinigungen als eine Leckquelle wirken können.
3 zeigt ein Diagramm, welches ein nachgezeichnetes Sauerstoffabscheidungskonzentrationsprofil eines Wafers veranschaulicht, der mit Hilfe eines anderen herkömmlichen Verfahrens hergestellt wurde, welches in 1A des US-Patents Nr. 5,401,669 offenbart ist. Insbesondere zeigt 3 das Sauerstoffabscheidungskonzentrationsprofil eines Wafers in bezug auf die Tiefe des Wafers, welches aus einem schnellen thermischen Anlassprozess eines Wafers resultiert, der in einer Stickstoffatmosphäre durchgeführt wurde, und wobei der Wafer einer nachfolgenden Wärmebehandlung unterworfen wurde. Wie jedoch aus 3 ersehen werden kann, kann weder die DZ nahe der Oberfläche des Wafers noch können ausreichende Sauerstoffabscheidungen in der massigen Zone mit Hilfe dieses herkömmlichen Verfahrens erhalten werden.
In der DE 100 55 648 A1 , die Stand der Technik gemäß §3 II Nr. 1 PatG ist, ist ein Wärmebehandlungsverfahren offenbart, bei dem ein Siliziumwafer einem schnellen thermischen Anlassprozess in einer Gasmischung aus N₂/Ar oder N₂/H₂ bei einer Temperatur von 1250°C ausgesetzt wird.
Aus der Druckschrift EP 0 973 962 B1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Siliziumwafers bekannt, bei dem ein mit einem Oxid beschichteter Wafer einem RTA-Prozess unterworfen wird und anschließend für mehrere Stunden bei Temperaturen zwischen 800 und 1000°C wärmebehandelt wird, um Sauerstoff-Präzipitate zu erzeugen. Dabei wird der RTA-Prozess bei Temperaturen oberhalb von 1150°C in einer Atmosphäre von z. B. NH₃-Gas und Ar-Gas durchgeführt.
Aus der Druckschrift US 4,868,133 A ist eine Wärmebehandlung eines Siliziumwafers in einem RTA-Ofen bei einer Temperatur zwischen 1100°C und 1200°C bekannt, um die Verteilung von Sauerstoff in dem Siliziumwafer zu beeinflussen.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine schnelle thermische Temperung (RTA) bei einem Siliziumwafer in einer Atmosphäre durchgeführt, die aus einer Gasmischung besteht, welche ein Gas enthält, das eine Gitterlochinjektionswirkung zeitigt, und ein Gas enthält, welches eine Zwischengitterplatzsiliziuminjektionswirkung an der oberen Oberfläche und der Bodenfläche des Wafers zeitigt und wobei die Temperung bei einer Temperatur zwischen 1100°C und etwa 1120°C durchgeführt wird, um Keimbildungszentren zu generieren, die als Sauerstoffabscheidungswachstumsstellen während der nachfolgenden Wärmebehandlung dienen, derart, dass das Keimbildungszentrumskonzentrationsprofil von der oberen Oberfläche zur Bodenfläche des Wafers hin eine erste und eine zweite Spitze jeweils bei einer ersten und einer zweiten vorbestimmten Tiefe von der oberen Oberfläche und der Bodenfläche des Wafers aus aufweist. Auch verbleibt die Keimbildungszentrumskonzentration bei einer vorbestimmten Konzentration, die niedriger liegt als eine kritische Konzentration, um die DZ herzustellen, und zwar zwischen der oberen Oberfläche des Wafers und der ersten Spitze und zwischen der Bodenfläche des Wafers und der zweiten Spitze. Schließlich besitzt das Keimbildungszentrumsprofil eine konkave Zone zwischen der ersten und der zweiten Spitze, die der massigen Zone des Wafers entspricht. Es können symmetrische oder asymmetrische Profile realisiert sein.
Bei der Erfindung wird der RTA-Prozess an einem Siliziumwafer in einer Atmosphäre durchgeführt, die aus einer Gasmischung besteht, und zwar aus Ammoniak (NH₃) und Argon (Ar), um die Keimbildungszentren zu generieren, die als Sauerstoffabscheidungswachstumsstellen während der nachfolgenden Wärmebehandlung wirken, derart, dass das Keimbildungszentrumskonzentrationsprofil von der oberen Oberfläche zur Bodenfläche des Wafers hin so verläuft, wie dies oben beschrieben wurde. Bei einer Ausführungsform wird der RTA-Prozess bei einer Temperatur von etwa 1120°C durchgeführt. Der RTA-Prozess wird für wenigstens etwa 5 Sekunden durchgeführt. Dem RTA-Prozess geht ein schnelles Aufheizen der Atmosphäre voraus, die Ammoniak und Argon enthält, und zwar mit einer Rate von etwa 50°C pro Sekunde.
Bei einer Ausführungsform wird der RTA-Prozess bei etwa 1120°C durchgeführt. Bei noch anderen Ausführungsformen wird vor der Durchführung des RTA-Prozesses Sauerstoff aus der Atmosphäre beseitigt und ein Detektierungsvorgang durchgeführt, um zu bestimmen, dass weniger als eine vorbestimmte Konzentration des Sauerstoffs in der Atmosphäre vorhanden ist. Vor der Durchführung des RTA-Prozesses das Erhitzen der Atmosphäre mit etwa 50°C pro Sekunde durchgeführt, und zwar beispielsweise von etwa 800°C aus auf eine Temperatur zwischen etwa 1100°C und etwa 1120°C. Darüber hinaus kann nach der Durchführung des RTA-Prozesses der Heizvorgang reduziert werden, und zwar mit eine Rater zwischen etwa 10°C pro Sekunde und etwa 70°C pro Sekunde, beispielsweise auf etwa 800°C herab. Bei einer Ausführungsform kann nach der Absenkung des Heizvorganges der Ammoniak aus der Atmosphäre ausgetrieben werden.
Gemäß anderen Ausführungsformen des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung wird eine Vielzahl von Siliziumwafern dadurch hergestellt, indem sequentiell ein RTA-Prozess bei einer Reihe von Siliziumwafern in einer RTA-Kammer in einer Atmosphäre durchgeführt wird, die Argon und Ammoniak enthält, und unterhalb einer Temperatur, bei der eine Sublimation von Siliziumdioxid aus der Serie von Siliziumwafern in die RTA-Kammer erfolgt. Der RTA-Prozess kann unter irgendwelchen Bedingungen durchgeführt werden, die oben beschrieben sind. Bei anderen Ausführungsformen können die Siliziumwafer sequentiell bis hin zu sechs Monaten oder noch länger verarbeitet werden, ohne dabei die RTA-Kammer von dem Siliziumdioxid zu reinigen.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Wärmebehandlung nach dem RTA-Prozess durchgeführt, um ein Sauerstoffabscheidungskonzentrationsprofil von der oberen Oberfläche zur Bodenfläche des Wafers hin zu erzeugen, welches eine erste und eine zweite Spitze in einer ersten und einer zweiten vorbestimmten Tiefe jeweils von der oberen Oberfläche und der Bodenfläche des Wafers aus besitzt, ferner eine DZ zwischen den Oberflächen des Wafers und der ersten Spitze und zwischen der Bodenfläche des Wafers und der zweiten Spitze besitzt, und wobei eine konkave Zone zwischen der ersten und der zweiten Spitze vorhanden ist. Es können symmetrische oder asymmetrische Profile vorgesehen werden.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen einen Siliziumwafer, der mit dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt ist, mit einer gesteuerten vertikalen Verteilung von Sauerstoffabscheidungen, die als interne Getterungsstellen wirken können. Speziell umfasst das Sauerstoffabscheidungskonzentrationsprofil von der oberen Oberfläche aus, in der eine aktive Zone einer Halbleitervorrichtung ausgebildet sein kann, zur Bodenfläche des Siliziumwafers hin erste und zweite Spitzen jeweils bei einer ersten und zweiten vorbestimmten Tiefe von der oberen Oberfläche und der Bodenfläche des Wafers aus. Auch ist eine denudierte Zone (DZ) zwischen der oberen Oberfläche des Wafers und der ersten Spitze und zwischen der Bodenfläche des Wafers und der zweiten Spitze enthalten. Das Sauerstoffabscheidungskonzentrationsprofil besitzt auch eine konkave Zone zwischen der ersten und der zweiten Spitze, die der massigen Zone des Wafers entsprechen kann.
Darüber hinaus enthält bei den Ausführungsformen der Erfindung die denudierte Zone zwischen der Bodenfläche des Wafers und der zweiten Spitze wenigstens eine Zone mit einer Gleitungsversetzung oder Gleitungsverschiebung (slip dislocation), während die denudierte Zone zwischen der oberen Oberfläche des Wafers und der ersten Spitze von einer Gleitungsversetzung frei ist. Bei anderen Ausführungsformen enthält der Siliziumwafer auch eine Vielzahl an seichten Grabenisolationszonen (STI) in der denudierten Zone zwischen der oberen Oberfläche des Wafers und der ersten Spitze, und die auch frei sind von der STI-Gleitung. Bei noch anderen Ausführungsformen enthält das Sauerstoffabscheidungskonzentrationsprofil erste und zweite Spitzen, eine denudierte Zone und eine konkave Zone zwischen der ersten und der zweiten Spitze, wie dies oben beschrieben wurde. Eine Vielzahl der STI-Zonen sind in der denudierten Zone enthalten, und zwar zwischen der oberen Oberfläche des Wafers und der ersten Spitze, die dicht bei den STI-Zonen gelegen ist, die eine STI-Gleitung haben, welche verglichen mit den gleichen STI-Zonen in dem Siliziumwafer, bei dem Sauerstoffabscheidungen weit von der STI-Zone in 2 entfernt vorhanden sind, reduziert ist.
Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung verläuft das Sauerstoffabscheidungskonzentrationsprofil symmetrisch in bezug auf eine zentrale Fläche (Ebene) des Siliziumwafers, die zentral zwischen der oberen Oberfläche und der Bodenfläche desselben gelegen ist. Beispielsweise sind die erste vorbestimmte Tiefe und die zweite vorbestimmte Tiefe gleich. Bei anderen Ausführungsformen muss jedoch das Profil nicht symmetrisch sein, so dass beispielsweise unterschiedliche Tiefen für die erste und die zweite Spitze vorgesehen sein können. Auch befindet sich bei einigen Ausführungsformen der Erfindung die Tiefe der denudierten Zonen in dem Bereich von etwa 5 μm bis etwa 40 μm von jeder Oberfläche des Siliziumwafers aus, derart, dass die aktive Zone der Halbleitervorrichtung in einer ausreichenden Tiefe ausgebildet wird. Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung liegen die Sauerstoffabscheidungskonzentrationen an der ersten und der zweiten Spitze bei wenigstens etwa 1 × 10⁹ cm^–3, und die Sauerstoffabscheidungskonzentration in der massigen Zone zwischen der ersten und der zweiten Spitze liegt bei wenigstens etwa 1 × 10⁸ cm^–3. Bei noch anderen Ausführungsformen ist die niedrigste Sauerstoffabscheidungskonzentration in der konkaven Zone wenigstens um eine Größenordnung niedriger oder geringer als die höchste Sauerstoffabscheidungskonzentration in der ersten und in der zweiten Spitze.
Siliziumwafer gemäß anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthalten eine gesteuerte Verteilung von Sauerstoffabscheidungskeimzentren, z. B. Gitterlöcher, die Sauerstoffabscheidungskonzentrationsprofile erzeugen können, die weiter oben beschrieben wurden, und zwar auf Grund einer nachfolgenden thermischen Behandlung. Das Gitterlochkonzentrationsprofil umfasst eine erste und eine zweite Spitze in einer ersten und einer zweiten vorbestimmten Tiefe jeweils von der oberen Oberfläche und der Bodenfläche des Wafers aus. Auch verbleibt die Gitterlochkonzentration bei einer vorbestimmten Konzentration, die niedriger ist als eine kritische Konzentration, um die DZ herzustellen, und zwar zwischen der oberen Oberfläche des Wafers und der ersten Spitze und zwischen der Bodenfläche des Wafers und der zweiten Spitze. Das Gitterlochkonzentrationsprofil besitzt eine konkave Zone zwischen der ersten und der zweiten Spitze. Bei einigen Ausführungsformen enthält die denudierte Zone zwischen der Bodenfläche des Wafers und der zweiten Spitze wenigstens eine Zone mit einer Gleitung (slip), während die denudierte Zone zwischen der oberen Oberfläche des Wafers und der ersten Spitze frei ist von einer Gleitversetzung oder Gleitverschiebung. Bei anderen Ausführungsformen sind eine Vielzahl der STI-Zonen in der denudierten Zone zwischen der oberen Oberfläche des Wafers und der ersten Spitze enthalten und besitzen eine STI-Gleitung, die verglichen mit den gleichen STI-Zonen in dem Siliziumwafer, der keine Sauerstoffabscheidungskeimbildungszentren enthält, die oben beschrieben wurden, reduziert ist. Es können symmetrische oder asymmetrische Profile realisiert sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Querschnittsansicht, welche die Struktur eines herkömmlichen Metalloxidhalbleitertransistors (MOS) veranschaulicht, der nahe an der Oberfläche eines Siliziumwafers ausgebildet ist;
2 ist ein Diagramm, welches ein Sauerstoffabscheidungskonzentrationsprofil eines herkömmlichen Wafers veranschaulicht;
3 zeigt ein Diagramm, welches ein Sauerstoffabscheidungskonzentrationsprofil eines anderen herkömmlichen Wafers veranschaulicht;
4 zeigt ein Sauerstoffabscheidungskonzentrationsprofil eines Siliziumwafers gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
5 zeigt einen Zeitplan eines nicht erfindungsgemäßen schnellen thermischen Temperungsprozesses (RTA);
6 zeigt ein Punktdefektkonzentrationsprofil in bezug auf die Tiefe eines Wafers, nachdem ein nicht erfindungsgemäßer RTA-Prozeß, der in 5 veranschaulicht ist, in einer Stickstoffgasatmosphäre (N₂) durchgeführt wurde;
7 zeigt ein Punktdefektkonzentrationsprofil in bezug auf die Tiefe eines Wafers, nachdem ein nicht erfindungsgemäßer RTA-Prozeß, der in 5 veranschaulicht ist, in einer Argongasatmosphäre (Ar) ausgeführt wurde;
8 zeigt ein Punktdefektkonzentrationsprofil in bezug auf die Tiefe eines Wafers, nachdem ein nicht erfindungsgemäßer RTA-Prozeß, der in 5 veranschaulicht ist, in einer Wasserstoffgasatmosphäre (H₂) durchgeführt wurde;
9 zeigt ein Gitterleerstellenkonzentrationsprofil, nachdem ein in 5 gezeigter nicht erfindungsgemäßer RTA-Prozeß durchgeführt wurde, in bezug auf eine Variation des Mischverhältnisses einer Gasmischung, die N₂-Gas und Ar-Gas enthält;
10 zeigt Sauerstoffabscheidungskonzentrationsprofile, die vermittels einer nachfolgenden Wärmebehandlung erhalten wurden, und zwar nach einem nicht erfindungsgemäßen RTA-Prozeß, in bezug auf Arten eines Gases, die während des RTA-Prozesses verwendet wurden;
11 ist ein Diagramm, welches die Lösung von Abscheidungen kristallinen Ursprungs (COPs) nahe der Oberfläche des Siliziumwafers veranschaulicht, wenn ein nicht erfindungsgemäßer RTA-Prozeß von 5 in der Ar-Atmosphäre durchgeführt wird;
12 zeigt eine Fotografie, welche die Sauerstoffabscheidungsverteilung eines Wafers darstellt, der einer nachfolgenden Wärmebehandlung unterzogen worden ist, und zwar nach einem nicht erfindungsgemäßen RTA-Prozeß in einer N₂-Gasatmosphäre;
13 ist eine Fotografie, die eine Sauerstoffabscheidungsverteilung eines Wafers zeigt, der einer nachfolgenden Wärmebehandlung unterzogen worden ist, und zwar nach einem nicht erfindungsgemäßen RTA-Prozeß in einer Ar-Gasatmosphäre;
14 ist eine Fotografie, welche die Sauerstoffabscheidungsverteilung eines Wafers zeigt, der einer nachfolgenden Wärmebehandlung unterzogen worden ist, und zwar nach einem nicht erfindungsgemäßen RTA-Prozeß in einer H₂-Gasatmosphäre;
15 zeigte eine Fotografie, welche die Sauerstoffabscheidungsverteilung eines Wafers wiedergibt, der einer nachfolgenden Wärmebehandlung unterzogen wurde, und zwar nach einem nicht erfindungsgemäßen RTA-Prozeß in der N₂- und Ar-Gasatmosphäre;
16 ist eine Fotografie, welche die Sauerstoffabscheidungsverteilung eines Wafers zeigt, der einer nachfolgenden Wärmebehandlung unterworfen wurde, und zwar nach einem nicht erfindungsgemäßen RTA-Prozeß in einer N₂-Gas- und H₂-Gasatmosphäre;
17 ist eine Fotografie, welche die Tiefe der DZ zeigt, welche nahe der Oberfläche eines Wafers ausgebildet ist, der einer nachfolgenden Wärmebehandlung nach einem nicht erfindungsgemäßen RTA-Prozeß in einer N₂-Gasatmosphäre unterworfen wurde;
18 ist eine Fotografie, welche die Tiefe der DZ zeigt, welche nahe der Oberfläche eines Wafers ausgebildet ist, der einer nachfolgenden Wärmebehandlung nach einem nicht erfindungsgemäßen RTA-Prozeß in einer Ar-Gasatmosphäre unterworfen wurde;
19 ist eine Fotografie, welche die Tiefe der DZ zeigt, welche nahe der Oberfläche eines Wafers ausgebildet ist, der einer nachfolgenden Wärmebehandlung nach einem nicht erfindungsgemäßen RTA-Prozeß in einer H₂-Gasatmosphäre unterworfen wurde;
20 ist eine Fotografie, welche die Tiefe der DZ zeigt, welche nahe der Oberfläche eines Wafers ausgebildet ist, der einer nachfolgenden Wärmebehandlung nach einem nicht erfindungsgemäßen RTA-Prozeß in einer N₂-Gas und Ar-Gasatmosphäre unterworfen wurde;
21 zeigt eine Fotografie, welche die Tiefe der DZ darstellt, welche nahe der Oberfläche eines Wafers ausgebildet ist, der einer nachfolgenden Wärmebehandlung nach einem nicht erfindungsgemäßen RTA-Prozeß in einer N₂-Gas und H₂-Gasatmosphäre unterworfen wurde;
22A ist eine Fotografie, welche die Gestalt einer COP in einem Genauso-Wachstumszustand (as grown state) zeigt, und 22B zeigt die Gestalt von COP, die sich geändert hat, und zwar nach einem nicht erfindungsgemäßen RTA-Prozeß in der N₂-Gasatmosphäre;
23A ist eine Fotografie, welche die Gestalt einer COP in einem Genauso-Wachstumszustand zeigt, und 23B zeigt die Gestalt von COP, die sich geändert hat, und zwar nach einem nicht erfindungsgemäßen RTA-Prozeß in der N₂-Gas- und Ar-Gasatmosphäre;
24A ist eine Fotografie, welche die Gestalt einer COP in einem Genauso-Wachstumszustand zeigt, und 24B zeigt die Gestalt von COP, die sich geändert hat, und zwar nach einem nicht erfindungsgemäßen RTA-Prozeß in der N₂-Gas- und H₂-Gasatmosphäre;
25 ist ein Flußdiagramm, welches die Vorbereitung von Wafern gemäß den Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht;
26 ist ein konzeptmäßiges Diagramm, welches eine Beziehung zwischen einer relativen Punktdefektverteilung in einem Siliziumblock und dem V-/G-Verhältnis veranschaulicht (der Ziehrate des Blocks/Temperaturgradienten);
27 ist eine schematische Ansicht, welche eine herkömmlich Czochralski-(CZ)-Ziehvorrichtung veranschaulicht;
28 ist eine schematische Ansicht einer anderen herkömmlichen Czochralski-Ziehvorrichtung gemäß den Anmeldungsseriennummern US 09/989,591 und US 09/320,210;
29 ist eine schematische Ansicht, welche Czochralski-Ziehvorrichtungen veranschaulicht;
30 ist ein Diagramm, welches die Hauptteile der Czochralski-Ziehvorrichtungen von 29 wiedergibt;
31 ist ein Graph, der eine Variation einer Sauerstoffabscheidungskonzentration an den Spitzen zeigt, und zwar nach dem nicht erfindungsgemäßen RTA-Prozeß von 5, in bezug auf eine Variation der Strömungsrate des N₂- und Ar-Mischgases;
32 ist ein Graph, der eine Variation der Sauerstoffabscheidungskonzentration an den Spitzen zeigt, und zwar nach dem nicht erfindungsgemäßen RTA-Prozeß von 5, in bezug auf eine Variation des Mischungsverhältnisses des N₂- und Ar-Mischgases;
33 ist ein Graph, der die Variation der Sauerstoffabscheidungskonzentration an den Spitzen zeigt, und zwar nach dem nicht erfindungsgemäßen RTA-Prozeß von 5, in bezug auf eine Variation der Steigerungsrate (ramp-up rate);
34 ist ein Graph, der die Variation der Sauerstoffabscheidungskonzentration an den Spitzen zeigt, und zwar nach dem nicht erfindungsgemäßen RTA-Prozeß von 5, in bezug auf eine Variation der Temperungszeit;
35 ist ein Graph, der die Variation der Sauerstoffabscheidungskonzentration an den Spitzen zeigt, und zwar nach dem nicht erfindungsgemäßen RTA-Prozeß von 5, in bezug auf eine Variation der Temperungstemperatur;
36 ist ein Graph, der die Variation der Sauerstoffabscheidungskonzentration an den Spitzen zeigt, und zwar nach dem nicht erfindungsgemäßen RTA-Prozeß von 5, in bezug auf eine Variation der Reduzierungsrate (ramp-down rate);
37 veranschaulicht graphisch ein Zeittemperaturprofil für ein schnelles thermisches Anlassen gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
38 veranschaulicht graphisch die Temperaturabhängigkeit der Sauerstoffabscheidung für den schnellen thermischen Anlaßvorgang von 37 gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
39 veranschaulicht graphisch die Anlaßzeitabhängigkeit der Sauerstoffabscheidung gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
40 veranschaulicht graphisch die Abhängigkeit der Sauerstoffabscheidung von einem Verhältnis zwischen Argon-zu-Ammoniak-Strömung während des schnellen thermischen Anlassens gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
41 veranschaulicht graphisch die Abhängigkeit der Sauerstoffabscheidung bei der Reduzierungsrate (ramp-down rate) gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
42 veranschaulicht graphisch eine Spitzen-Bulk-Mikrodefektdichte (BMD) als Funktion der anfänglichen Sauerstoffkonzentration gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
43 veranschaulicht graphisch die Gleitungslänge an der Bodenfläche eines Wafers gegenüber der Temperatur für ein schnelles thermisches Anlassen gemäß den Ausführungsformen nach der vorliegenden Erfindung;
44 veranschaulicht graphisch die Gleitungslänge gegenüber dem Argon-zu-Ammoniak-Gasverhältnis gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
45 veranschaulicht graphisch die Gleitungslänge als Funktion der Reduzierungsrate (ramp-down rate) gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
46A und 46B sind topographische Röntgenstrahlfotografien von Waferböden gemäß den Ausführungsformen nach der vorliegenden Erfindung;
47 veranschaulicht graphisch die Spannung in einem Graben nach einer Grabenfüllungsfilmverdichtung;
48A ist eine Querschnittsansicht von Feldeffekttransistorvorrichtungen, die in den Siliziumwafern gemäß den Ausführungsformen der Erfindung hergestellt werden können;
48B veranschaulicht graphisch ein Profil der Sauerstoffabscheidungen in einem Wafer von 48A gemäß den Ausführungsformen nach der vorliegenden Erfindung;
49 veranschaulicht konzeptmäßig die Bewegung der Gleitung in Seichtgrabenisoliervorrichtungen als ein Ergebnis eines Grabenfehlplazierungspinnings gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
50 veranschaulicht graphisch eine kumulative Fehler- oder Ausfallrate gegenüber einer Auffrischzeit für einen Wafer, der kein M-gestaltetes Sauerstoffabscheidungskonzentrationsprofil besitzt, und für Wafer, die ein M-gestaltetes Sauerstoffabscheidungskonzentrationsprofil gemäß den Ausführungsformen nach der vorliegenden Erfindung besitzen;
51 ist eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen schnellen thermischen Temperungssystems;
52 zeigt eine schematische Ansicht einer modifizierten CZ-Ziehvorrichtung; und
53 veranschaulicht Einzelheiten der modifizierten Teile der CZ-Ziehvorrichtung von 52.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Es wird nun die vorliegende Erfindung im folgenden vollständiger unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind. In den Zeichnungen sind die Dicke der Schichten und der Zonen der Übersichtlichkeit halber übertrieben dargestellt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Elemente in den Zeichnungen. Es sei darauf hingewiesen, daß dann, wenn ein Element, wie beispielsweise eine Schicht, eine Zone oder ein Substrat, so dargestellt wird, daß es ”auf” einem anderen Element vorhanden ist, es direkt auf dem anderen Element vorgesehen sein kann, oder auch zwischenliegende Elemente vorhanden sein können. Wenn im Gegensatz dazu ein Element so dargestellt wird, daß es ”direkt auf” einem anderen Element angeordnet ist, sind keine Zwischenelemente vorhanden. Darüber hinaus umfaßt jede hier beschrieben und dargestellte Ausführungsform auch eine Ausführungsform gemäß einem komplementären Leitfähigkeitstyp.
4 zeigt schematisch ein Sauerstoffabscheidungskonzentrationsprofil eines Siliziumwafers gemäß den Ausführungsformen nach der vorliegenden Erfindung. Vergleicht man dieses Profil mit den Sauerstoffabscheidungskonzentrationsprofilen von Siliziumwafern, die mit herkömmlichen Techniken hergestellt wurden, wie dies in den 2 und 3 veranschaulicht ist, so existieren dabei denudierte Zonen (DZs) in einem vorbestimmten Tiefenbereich von sowohl der oberen Oberfläche als auch der Bodenfläche des Wafers aus, und die Sauerstoffabscheidungskonzentration bildet Doppelspitzen an den Grenzbereichen zwischen jeder DZ und einer massigen Zone (bulk region). auch ist in der massigen Zone zwischen den, Doppelspitzen eine große Menge an Sauerstoffabscheidungen vorhanden, die ausreichend ist, um einen Getterungseffekt in bezug auf Metallverunreinigungen zu erzeugen.
Spezieller ausgedrückt, können bei einem herkömmlichen Sauerstoffabscheidungsprofil die Metallverunreinigungen, die durch eine einzelne Spitze gegettert werden, die in dem zentralen Bereich des Wafers positioniert ist, bei den nachfolgenden thermischen Behandlungsprozessen freigesetzt werden. Im Gegensatz zu dem herkömmlichen Profil enthalten die Ausführungsformen nach der Erfindung Doppelspitzen in dem Sauerstoffabscheidungskonzentrationsprofil, es können Metallverunreinigungen in Richtung von sowohl den Oberflächen als auch der Massenzone des Wafers freigesetzt werden, so daß die Menge der Metallverunreinigungen, die zu den Oberflächen hin freigesetzt wird, reduziert werden kann.
5 ist ein Zeitplan eines nicht erfindungsgemäßen schnellen thermischen Anlaßprozesses (RTA). Es kann ein im Handel erhältlicher RTA-Ofen verwendet werden. Bei dem RTA-Prozeß wird zuerst ein Siliziumwafer in den RTA-Ofen geladen, dessen Temperatur beispielsweise auf etwa 700°C eingestellt ist, und zwar während einer Standby-Periode (I). Dann wird die Temperatur des RTA-Ofens plötzlich erhöht, beispielsweise mit einer Rate von etwa 50°C/Sekunde, auf eine Temperatur von etwa 1250°C (II). Dann wird die Temperatur auf 1250°C für eine vorbestimmte Zeitperiode gehalten, beispielsweise für etwa 10 Sekunden (III), und es wird dann die Temperatur des RTA-Ofens scharf abgesenkt, und zwar in einer Rate von etwa 33°C/Sekunde bis auf die Temperatur gemäß der Standby-Periode (IV). Schließlich wird der Wafer aus dem RTA-Ofen entladen (V). Mit Hilfe der Ausführungsformen der RTA-Prozesses, der in 5 veranschaulicht ist, kann die Verteilung der Sauerstoffabscheidungskernbildungszentren gesteuert werden und auch von Leerstellen oder von Abscheidungen kristallinen Ursprungs (COPs), die nahe der Oberfläche des Wafers vorhanden sind, wobei diese aufgelöst werden, wie dies noch an späterer Stelle unter Hinweis auf 11 beschrieben werden soll.
Der Prozeßtemperaturbereich von 5 dient lediglich der Veranschaulichung. Es können jedoch bei dem RTA-Prozeß die Arten der Umgebungsgase, die Strömungsrate der Umgebungsgase, das Mischungsverhältnis der Umgebungsgase, die Erhöhungsrate, die Anlaßtemperatur, die Anlaßzeit und/oder die Absenkrate (das heißt die Abkühlrate) alle dazu beitragen, ein Profil gemäß 4 zu erhalten, wie dies weiter unten beschrieben werden soll. Der nicht erfindungsgemäße RTA-Prozeß wird bei wenigstens etwa 1150°C für wenigstens etwa 5 Sekunden durchgeführt. Beispielsweise wird der RTA-Prozeß bei 1150°C für wenigstens 30 Sekunden durchgeführt oder bei 1250°C für wenigstens 5 bis 10 Sekunden durchgeführt. Auch wird der Wafer schnell abgekühlt, und zwar in einer Rate von wenigstens 30°C/Sekunde.
Es wird eine Gasmischung, die ein Gas enthält, welches einen Gitterleerstelleninjektionseffekt in bezug auf die Oberfläche des Wafers hat, und ein Gas enthält, welches einen Zwischengitterstellensiliziuminjektionseffekt hat, als Gas für den RTA-Prozeß gemäß den Ausführungsformen nach der vorliegenden Erfindung verwendet. Bei nicht erfindungsgemäßen Verfahren wird Stickstoffgas (N₂) als Gas verwendet, welches die Gitterleerstelleninjektionswirkung hat, und es wird Argon (Ar) und/oder Wasserstoffgas (H₂) als das Gas verwendet, welches die Zwischengitterstellensiliziuminjektionswirkung hat.
Die 6 bis 8 veranschaulichen Punktdefektkonzentrationsprofile von Gitterleerstellendefekten und von Zwischengittersiliziumdefekten in bezug auf die Tiefe des Wafers, und zwar nach einem RTA-Prozeß, der in 5 veranschaulicht ist, welcher in N₂-, Ar-H₂-Atmosphären jeweils durchgeführt werden. In den 6 bis 8 repräsentiert die Kurve (a) das Gitterleerstellenpunktdefektkonzentrationsprofil nach einem RTA-Prozeß in einer Inertgasatmosphäre und die Kurven (b) und (c) repräsentieren jeweils die Gitterleerstellen- und Gitterzwischenstellenpunktdefektkonzentrationsprofile nach dem RTA-Prozeß in der entsprechenden Gasatmosphäre.
Wie bei den Ausführungsformen von den 6 bis 8 gezeigt ist, war die Gitterleerstellenpunktdefektkonzentration (die konvexe Kurve, die mit (a) bezeichnet ist) nach dem RTA-Prozeß in der Inertgasatmosphäre an der oberen Oberfläche und der Bodenfläche des Wafers niedrig und war in der massigen Zone des Wafers hoch. Wenn die Temperatur des RTA-Ofens schnell oder plötzlich auf die Temperatur bei dem Punkt (a) von 5 in der Inertgasatmosphäre erhöht wird, nimmt die Gleichgewichtskonzentration der Gitterleerstellen, die als Punktdefekte in dem Wafer existieren, zu. Da die Mobilität der Gitterleerstellen in der massigen Zone des Wafers niedrig ist, bleibt die Gitterleerstellenkonzentration niedriger als die Gleichgewichtskonzentration in der massigen Zone. Jedoch ist die Bewegung der Gitterleerstellen nahe der Oberfläche des Wafers aktiv, so daß die Konzentration der Gitterleerstellen nahe der Oberfläche des Wafers die Gleichgewichtskonzentration sehr schnell erreicht. Wenn auf der anderen Seite die Temperatur des RTA-Ofens sehr schnell oder scharf erhöht wird, wird die Gleichgewichtskonzentration des Gitterzwischensiliziums abgesenkt, und zwar beispielsweise durch die Frenkel-Rekombination zwischen den Gitterleerstellen und dem Gitterzwischenstellensilizium, und zwar mit Zunahme der Gitterleerstellenkonzentration. Da auch die Mobilität der Gitterzwischenstellen, die in der massigen Zone des Wafers vorhanden sind, niedrig ist, ähnlich wie die Gitterleerstellen darin, bleibt die Zwischengitterstellenkonzentration in der massigen Zone höher als die Gleichgewichtskonzentration. Jedoch erreicht die Zwischengitterstellenkonzentration nahe der Oberfläche des Wafers die Gleichgewichtskonzentration, wie dies auch die Gitterleerstellenkonzentration tut, und zwar nahe der Oberfläche des Wafers.
Wenn der Wafer auf der hohen Temperatur für eine Zeitdauer bis hin zu dem Punkt (b) von 5 gehalten wird, tritt eine Diffusion in solcher Weise auf, daß sowohl die Gitterleerstellen als auch die Gitterzwischenstellen die Gleichgewichtskonzentrationen erreichen. Nachdem der Wafer schnell oder plötzlich auf die Temperatur des Punktes (c) von 5 abgekühlt wurde, erreichen die Zwischengitterpunktdefekte, die einen großen Diffusionskoeffizienten haben, eine neue Gleichgewichtskonzentration bei der reduzierten Temperatur. Jedoch werden die Gitterleerstellenpunktdefekte, die einen kleinen Diffusionskoeffizienten haben, in dem Wafer übersättigt. Insbesondere ist der Grad der Übersättigung der Gitterleerstellen in der massigen Zone des Wafers hoch. Da jedoch die Mobilität der Gitterleerstellen nahe der Oberfläche des Wafers hoch ist, erreicht die Konzentration der Gitterleerstellenpunktdefekte unmittelbar eine neue Gleichgewichtskonzentration bei der abgesenkten Temperatur.
Daher kann das Gitterleerstellenkonzentrationsprofil bei dem RTA-Prozeß in der Inertgasatmosphäre eine konvexe Gestalt haben, wie dies in den 6 bis 8 gezeigt ist.
Auch in einem Fall, der in 6 gezeigt ist, bei dem der RTA-Prozeß von 5 in einer N₂-Gasatmosphäre durchgeführt wird, kombiniert sich das N₂-Gas, welches in die massige Zone des Wafers eindringt, mit dem Leerstellensilizium, um ein klein bemessenen Siliziumnitrid (Si₃N₄) zu bilden, so daß die Gitterleerstellenkonzentration in der massigen Zone abgesenkt wird. Mittlerweile nimmt die Gitterleerstellenkonzentration nahe der Oberfläche des Wafers zu, und zwar auf Grund des Gitterleerstelleninjektionseffektes durch das N₂-Gas. Als ein Ergebnis besitzt das Gitterleerstellenkonzentrationsprofil in der N₂-Atmosphäre die entgegengesetzte Gestalt (die Kurve, die mit ”b” bezeichnet ist), und zwar gegenüber derjenigen des Wafers, welcher in der Inertgasatmosphäre hergestellt wird.
Wenn zusätzlich der RTA-Prozeß von 5 in den Ar- und H₂-Gasatmosphären durchgeführt wird, wie dies in den 7 und 8 jeweils gezeigt ist, wird die Gitterleerstellenkonzentration durch den Wafer hindurch abgesenkt, und zwar auf Grund des Gitterzwischenstellensiliziuminjektionseffektes. Da insbesondere eine Rekombination von Gitterleerstellensilizium und Gitterzwischenstellensilizium sehr schnell oder plötzlich nahe der Oberfläche des Wafers auftritt, und zwar auf Grund des Gitterzwischenstellensiliziuminjektionseffektes der Gase, die verwendet werden, kann die Gitterleerstellenkonzentration auf einer kritischen Konzentration gehalten werden, welches die Gleichgewichtskonzentration bei einer bestimmten Temperatur ist.
Bei den nicht erfindungsgemäßen Verfahren wird der RTA-Prozeß von 5 in einer Gasmischatmosphäre, wie beispielsweise einer Atmosphäre mit N₂- und Ar-Gasen oder mit N₂- und H₂-Gasen, durchgeführt und es können somit Gitterleerstellenkonzentrationsprofile in den Gasmischatmosphären erhalten werden, indem man diejenigen von den 6 und 7 kombiniert und auch diejenigen von den 6 und 8 kombiniert. Wie in 9 gezeigt ist, zeigen die Gitterleerstellenkonzentrationsprofile der Wafer, die in den Mischgasatmosphären hergestellt wurden, erste und zweite Spitzen in einer vorbestimmten Tiefe von der oberen Oberfläche und der Bodenfläche des Siliziumwafers aus. Es sei auch darauf hingewiesen, daß die Gitterleerstellenkonzentration von der oberen Oberfläche und der Bodenfläche zu der ersten und der zweiten Spitze hin niedriger ist als die Gleichgewichtskonzentration bei einer bestimmten Temperatur. Auch besitzen die Gitterleerstellenkonzentrationsprofile in der massigen Zone zwischen der ersten und der zweiten Spitze eine konkave Gestalt.
Das Gitterleerstellenkonzentrationsprofil von 9 kann erhalten werden, da der RTA-Prozeß von 5 in einer Gasmischatmosphäre durchgerührt wird, die Gase enthält, die Gitterleerstellen- und Zwischengittersiliziuminjektionseffekte liefern. Vergleicht man unter Verwendung einer logarithmischen Skala das Gitterleerstellensiliziumkonzentrationsprofil, welches anhand des Gitterleerstellensiliziuminjektionseffektes in der N₂-Gasatmosphäre erhalten wird, mit den Zwischengittersiliziumkonzentrationsprofilen, die anhand des Zwischengitterstellensiliziuminjektionseffektes in der Ar- oder H₂-Gasatmosphäre erhalten werden, so verläuft das Gitterleerstellensiliziumkonzentrationsprofil weniger steil als das Zwischengitterstellensiliziumkonzentrationsprofil in der Zone von der oberen Oberfläche und der Bodenfläche des Wafers zu einer vorbestimmten Tiefe hin. Jedoch wird das Gitterleerstellensiliziumkonzentrationsprofil steiler als das Zwischengitterplatzsiliziumkonzentrationsprofil von der vorbestimmten Tiefe ab zu der Massenzone hin. Daher wird in der denudierten Zone nahe der oberen Oberfläche und der Bodenfläche der Wafer die Gitterleerstellensiliziumkonzentration auf oder unter einem kritischen Wert gehalten, das heißt auf weniger als oder gleich mit der Gleichgewichtskonzentration bzw. dem Gleichgewichtskonzentrationswert bei einer vorbestimmten Temperatur, was mit Hilfe der Rekombination mit den Zwischengitterplatzsiliziumatomen erfolgt. Jenseits der denudierten Zone nimmt die Gitterleerstellensiliziumkonzentration scharf zu, so daß sie gleich wird mit und höher wird als der Gleichgewichtskonzentrationswert. Dann werden in einer Tiefe des Wafers, in der die Differenz zwischen der Gitterleerstellen- und der Zwischengitterplatzsiliziumkonzentration bzw. deren Werte einen maximalen Wert erreicht, das heißt dort, wo das Gitterleerstellensiliziumkonzentrationsprofil steiler wird als das Zwischengitterplatzsiliziumkonzentrationsprofil, Spitzen (erste und zweite Spitze) ausgebildet. Die Gitterleerstellensiliziumkonzentration nimmt jenseits der Spitzen zur massigen Zone hin ab, so daß das konkave Gitterleerstellenkonzentrationsprofil zwischen der ersten und der zweiten Spitze erhalten wird.
Gemäß anderen Verfahren erzeugen die Gitterleerstellenpunktdefekte des Wafers Sauerstoffabscheidungen über thermische Prozeßzyklen bei der nachfolgenden Herstellung der Halbleitervorrichtung. Mit anderen Worten werden die Gitterleerstellenpunktdefekte zu Kristallkeimzentren für die Sauerstoffabscheidungen, die durch die nachfolgenden thermischen Prozeßzyklen gebildet werden. Je höher die Gitterleerstellenkonzentration ist, desto höher wird die Sauerstoffabscheidungskonzentration. Daher läßt sich das Sauerstoffabscheidungskonzentrationsprofil aus dem Gitterleerstellenkonzentrationsprofil des Wafers herleiten.
Die Gitterleerstellenkonzentration und die Sauerstoffabscheidungskonzentration haben die folgende Beziehung: Si(Siliziumsubstrat) + xO_i + yV_Si ↔ SiO₂(Sauerstoffabscheidung) + Si_I(Zwischengitterplatzsilizium) + σ
Dieser Beziehungsausdruck sagt aus, daß mit der Zunahme der Gitterleerstellensiliziumkonzentration (V_Si) und der anfänglichen Sauerstoffkonzentration (O_i) die Reaktion nach rechts hin voranschreitet, so daß die Sauerstoffabscheidungskonzentration zunimmt. Bei dem oben angegebenen Beziehungsausdruck bezeichnet σ eine Konstante.
Bei den Verfahren wurde das Sauerstoffabscheidungskonzentrationsprofil nach einer nachfolgenden Wärmebehandlung am Wafer erhalten, der dem nicht erfindungsgemäßen RTA-Prozeß von 5 unterzogen worden war. Die Bedingungen der nachfolgenden Wärmebehandlung wurden festgelegt, und zwar unter Berücksichtigung der Bedingungen der thermischen Prozeßzyklen bei der Herstellung der Halbleitervorrichtung, während welcher die Sauerstoffabscheidungen gebildet werden. Für einen Vergleich zwischen Wafern nach dem RTA-Prozeß von 5 wurden die nachfolgenden Prozesse bei etwa 800°C für etwa 4 Stunden und bei etwa 1600°C für etwa 16 Stunden in einer N₂-Gasatmosphäre durchgeführt.
Um auch die Wirkung der Gasmischung wurde auch eine Strömungsrate und das Mischverhältnis der Gasmischung, die während des nicht erfindungsgemäßen RTA-Prozesses von 5 verwendet wurden variiert. 9 zeigt das Gitterleerstellenkonzentrationsprofil nach dem nicht erfindungsgemäßen RTA-Prozeß von 5 in bezug auf eine Variation des Mischverhältnisses der Gasmischung, die N₂-Gas und Ar-Gas enthielt. 31 zeigt einen Graphen, der die Variation in der Sauerstoffabscheidungskonzentration an den Spitzen in bezug auf eine Variation der Strömungsrate des Ar/N₂-Mischgases zeigt.
In 9 (a) repräsentiert das Gitterleerstellenkonzentrationsprofil, wenn das Mischverhältnis zwischen N₂ und Ar bei 70:30 liegt, (b) repräsentiert den Fall, wenn das Mischverhältnis zwischen N₂ und Ar bei 50:50 liegt, und (c) repräsentiert den Fall, wenn das Mischverhältnis zwischen N₂ und Ar bei 30:70 liegt. Es sei darauf hingewiesen, daß mit der Zunahme der N₂-Konzentration sich die Spitzen zu den Oberflächen des Wafers hin verschieben und daß sich die Gitterleerstellenkonzentration der Spitzen erhöht. Das heißt, die Tiefen der DZs, wo die Sauerstoffabscheidungen auf Grund der nachfolgenden Prozesse ausgebildet werden, nehmen scharf mit Zunahme der N₂-Konzentration ab.
Die Sauerstoffabscheidungskonzentration von 31 an den Spitzen wurde gemessen, und zwar nach einer weiteren thermischen Behandlung bei etwa 800°C für etwa 4 Stunden und dann bei etwa 1600°C für etwa 16 Stunden in einer N₂-Atmosphäre, nachdem der RTA-Prozeß von 5 vervollständigt worden ist. Hierbei wurde der RTA-Prozeß dadurch ausgeführt, indem eine Ar/N₂-Gasmischung in einer ansteigenden Rate von etwa 50°C/Sekunde zugeführt wurde, und zwar bei einer Anlaßtemperatur von etwa 1250°C, einer Anlaßzeit von etwa 10 Sekunden und bei einer Absenkrate von etwa 33°C/Sekunde. Die Strömungsraten der Ar/N₂-Gase in der Ar/N₂-Mischung wurde variiert gemäß 1/1, 2/2, 3/3, 4/4 und 5/5 Liter/Minute. Das Ergebnis von 31 zeigt, daß die Sauerstoffabscheidungskonzentration mit der Zunahme der Strömungsrate des Mischgases anwächst.
Die Sauerstoffabscheidungskonzentration von 32 an den Spitzen wurde gemessen, nachdem der RTA-Prozeß mit den gleichen Bedingungen durchgeführt worden war wie für die Daten von 31 mit der Ausnahme, daß die Ar/N₂-Gase in der Gasmischung mit einer Strömungsrate von 3/1, 2,5/1,5, 2/2, 1,5/2,5, 1/3 Liter/Minute mit variierenden Mischverhältnissen zugeführt wurden. Nach der Durchführung des RTA-Prozesses von 5 wurde eine weitere thermische Behandlung bei 800°C für 4 Stunden durchgeführt und dann bei 1600°C für 16 Stunden, und zwar in einer N₂-Atmosphäre. Das Ergebnis von 32 zeigt an, daß bei einem konstanten Massenfluß der Gasmischung mit 4 Liter/Minute die Sauerstoffabscheidungskonzentration mit der Zunahme des Verhältnisses von N₂ in der Gasmischung zunimmt.
Die Prozeßbedingungen des RTA-Prozesses, enthaltend das Mischverhältnis und die Strömungsrate der Gasmischung, den Anstieg der Rate, die Anlaßtemperatur und die Anlaßzeit, die Absenkrate und ähnliches, können auf vielfältige Werte variiert werden, um die Positionen der Spitzen in dem Gitterleerstellenkonzentrationsprofil zu variieren, ebenso den Gitterleerstellenkonzentrationswert an den Spitzen, den Gitterleerstellenkonzentrationswert an dem Massenbereich oder der Massenzone, die Größe der denudierten Zone und/oder ähnliches.
33 zeigt die Variation der Sauerstoffabscheidungskonzentration an den Spitzen nach der Durchführung des RTA-Prozesses von 5 in bezug auf eine Variation der Anstiegsrate (ramp-up rate). Zum Zwecke eines Vergleichs wurden die anderen Prozeßbedingungen für den RTA-Prozeß konstant gehalten, das heißt, das Mischverhältnis zwischen den N₂- und Ar-Gasen wurde auf 50:50 eingestellt, die Anlaßtemperatur wurde auf 1250°C eingestellt, die Anlaßzeit wurde auf 10 Sekunden eingestellt und die Absenkrate wurde auf 33°C/Sekunden eingestellt. Eine nachfolgende thermische Behandlung wurde für alle Wafer durchgeführt, und zwar bei 800°C für 4 Stunden und dann bei 1600°C für 16 Stunden in einer N₂-Atmosphäre, welche die gleiche war wie bei den früheren Messungen. Das Ergebnis ist in der Tabelle 1 gezeigt. TABELLE 1

Steigerungsrate (°C/Sekunde) Sauerstoffabscheidungskonzentration and den Spitzen (ea/cm³)

10 2,0 × 10¹⁰

30 2,5 × 10¹⁰

50 2,1 × 10¹⁰

70 2,0 × 10¹⁰

90 2,0 × 10¹⁰
33 und Tabelle 1 zeigen an, daß die Sauerstoffabscheidungskonzentration an den Spitzen nicht stark durch die Steigerungsrate beeinflusst wird.
34 zeigt die Variation der Sauerstoffabscheidungskonzentration an den Spitzen nach dem RTA-Prozeß von 5 in bezug auf eine Variation der Anlaßzeit. Für einen exakten Vergleich werden die anderen Prozeßbedingungen des RTA-Prozesses konstant gehalten, das heißt es wurde das Mischverhältnis zwischen dem N₂- und dem Ar-Gas auf 50:50 eingestellt, die Steigerungsrate wurde auf 50°C/Sekunden eingestellt, die Anlaßtemperatur wurde auf 1250°C eingestellt und die Reduzierungsrate wurde auf 33°C/Sekunde eingestellt. Die nachfolgende thermische Behandlung wurde für alle Wafer bei 800°C für 4 Stunden und dann bei 1600°C für 16 Stunden in einer N₂-Atmosphäre durchgeführt, was das gleiche war wie bei den früheren Messungen. Das Ergebnis ist in der Tabelle 2 gezeigt. TABELLE 2

Anlaßzeit Sauerstoffabscheidungskonzentration an den Spitzen (ea/cm³)

1 1,0 × 10⁸

5 5,0 × 10⁹

10 2,0 × 10¹⁰

30 2,5 × 10¹⁰

60 3,0 × 10¹⁰
34 und die Tabelle 2 zeigen auf, daß die Sauerstoffabscheidungskonzentration an den Spitzen durch die Anlaßzeit beeinflußt wird, und daß das Anlassen für wenigstens 5 Sekunden oder mehr fortgesetzt werden sollte, und zwar für das Erreichen einer Sauerstoffabscheidungskonzentration von wenigstens 10⁹/cm³ oder mehr an den Spitzen.
35 zeigt die Variation der Sauerstoffabscheidungskonzentration an den Spitzen nach dem RTA-Prozeß von 5 in bezug auf eine Variation der Anlaßtemperatur. Zum Zwecke eines Vergleichs wurden die anderen Prozeßbedingungen des RTA-Prozesses konstant gehalten, das heißt, das Mischverhältnis von N₂- und Ar-Gas wurde auf 50:50 eingestellt, die Steigerungsrate wurde auf 50°C/Sekunde eingestellt, die Anlaßzeit wurde auf 10 Sekunden eingestellt und die Reduzierungsrate wurde auf 33°C/Sekunde eingestellt. Es wurde eine nachfolgende thermische Behandlung für alle Wafer bei 800°C für 4 Stunden und dann bei 1600°C für 16 Stunden in einer N₂-Atmosphäre durchgeführt, was das gleiche war wie bei den früheren Messungen. Das Ergebnis ist in der Tabelle 3 gezeigt. TABELLE 3

Anlaßtemperatur Sauerstoffabscheidungskonzentration an

den Spitzen (ea/cm³)

1250 2,0 × 10¹⁰

1200 5,0 × 10⁸

1150 1,0 × 10⁸

1100 7,0 × 10⁷

1000 7,0 × 10⁷
35 und die Tabelle 3 zeigen, daß die Sauerstoffabscheidungskonzentration an den Spitzen durch die Anlaßtemperatur wird und daß die Anlaßtemperatur hoch sein sollte (bei wenigstens etwa 1250°C oder höher, und zwar zum Erreichen einer Sauerstoffabscheidungskonzentration von wenigstens 10⁹/cm³ oder mehr an den Spitzen. Die Anlaßtemperatur und die Anlaßzeit sind eng der Sauerstoffabscheidungskonzentration zugeordnet. Betrachtet man das Ergebnis von 34, kann festgestellt werden, daß für eine bestimmte Konzentration einer Sauerstoffabscheidung oder -ausfällung die Anlaßzeit bei einer höheren Anlaßtemperatur reduziert werden kann, während jedoch die Anlaßzeit bei einer niedrigeren Anlaßtemperatur zum Erreichen einer bestimmten Konzentration verlängert werden kann.
36 zeigt die Variation der Sauerstoffabscheidungskonzentration an den Spitzen nach dem RTA-Prozeß von 5 in bezug auf eine Variation der Steigerungsrate. Zum Zwecke eines Vergleiches wurden die anderen Prozeßbedingungen des RTA-Prozesses konstant gehalten, das heißt, das Mischverhältnis zwischen N₂- und Ar-Gas wurde auf 50:50 eingestellt, die Steigerungsrate wurde auf 50°C/Sekunde eingestellt, die Anlaßtemperatur wurde auf 1250°C eingestellt und die Anlaßzeit wurde auf 10 Sekunden eingestellt. Es wurde ein nachfolgender thermischer Behandlungsprozeß für alle Wafer bei 800°C für 4 Stunden und dann bei 1600°C für 16 Stunden in einer N₂-Atmosphäre durchgeführt, was das gleiche war wie bei den früheren Messungen. Das Ergebnis ist in der Tabelle 4 gezeigt. TABELLE 4

Reduzierungsrate (°C/Sekunde) Sauerstoffabscheidungskonzentration and den Spitzen (ea/cm³)

10 8,0 × 10⁹

30 2,0 × 10¹⁰

50 2,2 × 10¹⁰

70 3,0 × 10¹⁰

90 3,5 × 10¹⁰
36 und die Tabelle 4 zeigen, daß die Sauerstoffabscheidungskonzentration an den Spitzen nicht stark durch die Reduzierungsrate beeinflußt wird. Es nimmt jedoch die Sauerstoffabscheidungskonzentration geringfügig mit der Zunahme der Steigerungsrate zu.
10 zeigt Sauerstoffabscheidungskonzentrationsprofile, die vermittels der nachfolgenden Wärmebehandlung nach dem nicht erfindungsgemäßen RTA-Prozeß erhalten werden, in bezug auf die Arten eines Gases, welches während des RTA-Prozesses verwendet wurde. In 10 gibt (a) das Sauerstoffabscheidungskonzentrationsprofil eines Wafers wieder, der in einer N₂-Gasatmosphäre hergestellt wurde, (b) gilbt dasjenige Profil eines Wafers wieder, der in einer N₂-Gas- und einer Ar-Gasatmosphäre hergestellt wurde, (c) gibt dasjenige Profil eines Wafers an, der in einer N₂-Gas- und einer H₂-Gasatmosphäre hergestellt wurde, (d) gibt dasjenige Profil eines Wafers an, der in einer Ar-Gasatmosphäre hergestellt wurde, und (e) gibt das Profil eines Wafers an, der in einer H₂-Gasatmosphäre hergestellt wurde.

Zum Zwecke eines Vergleiches wurden der nicht erfindungsgemäße RTA-Prozeß und die nachfolgende Wärmebehandlung bei allen Wafern unter den gleichen Prozeßbedingungen durchgeführt. Das heißt, es wurde der RTA-Prozeß bei 1250°C für 10 Sekunden durchgeführt und es wurde die nachfolgende Wärmebehandlung zweimal durchgeführt, wie dies oben beschrieben wurde, und zwar bei 800°C für 4 Stunden und bei 1600°C für 16 Stunden. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 5 gezeigt. TABELLE 5

verwendetes Gas	SpitzenSauerstoffabscheidungskonzentration (cm^–3)	Sauerstoffabscheidungskonzentration in der massigen Zone (cm^–3)	Tiefen der CZs (μm)	COP-Lösungsfähigkeit
Ar	8 × 10⁹	8 × 10⁹	50	mittelmäßig
H₂	6 × 10⁹	6 × 10⁹	60	hoch
N₂	3 × 10⁹	= 1 × 10⁵ (Detektionsgrenze)	0	keine
N₂ + Ar	2 × 10¹⁰	5 × 10⁹	10	mittelmäßig
N₂ + H₂	1 × 10¹⁰	5 × 10⁹	15	hoch

11 zeigt ein Diagramm, welches die Lösung der COPs nahe der Oberfläche des Siliziumwafers veranschaulicht, wenn der RTA-Prozeß von 5 in der Ar-Atmosphäre durchgeführt wurde. Im allgemeinen bilden die COPs, die während des Blockwachstums vermittels der CZ-Technik gebildet werden, eine gebrochene achtflächige Leerstellengestalt, und eine Siliziumoxidschicht 22 wird auf der Innenseite einer Leerstelle 20a gebildet. Auch wenn der RTA-Prozeß in einer Ar- oder H₂-Gasatmosphäre durchgeführt wird, wobei die Gase den zwischen Gitterplatzsiliziuminjektionsdefekt in bezug auf die Oberfläche des Wafers liefern, werden die COPs, die nahe der Oberfläche des Wafers vorhanden sind, aufgelöst.
Um einen Auflösungsmechanismus der COPs in Einzelheiten zu beschreiben, so wird dann, wenn der Block, in welchem Sauerstoff in einer anfänglichen Konzentration O_i während des Kristallwachstums inkorporiert wird, abgekühlt wird, die Sauerstoffkonzentration des Blocks übersättigt, und zwar bei der Abkühltemperatur. Somit ist die anfängliche Sauerstoffkonzentration des Wafers, der aus dem Block gebildet wird, ebenfalls übersättigt, und zwar jenseits der vorbestimmten Löslichkeit von Sauerstoff (in 11 mit ”S” angezeigt). Jedoch ist die anfängliche Sauerstoffkonzentration in der Nähe der Oberfläche des Wafers gleich mit oder kleiner als die vorbestimmte Löslichkeit ”S”, und zwar auf Grund der nach außen verlaufenden Diffusion des Sauerstoffs durch die Oberfläche des Wafers hindurch. Mittlerweile wird in der massigen Zone des Wafers der übersättigte Sauerstoff in die Leerstelle 20a zugeführt und wird dazu verwendet, um die Siliziumoxidschicht 22 an der Innenseite der Leerstelle 20a zu bilden. Da auch die anfängliche Sauerstoffkonzentration nahe der Oberfläche des Wafers (das heißt eine Zone zwischen der Oberfläche und der strichlierten Linie ”T” in 11) niedriger liegt als die vorbestimmte Löslichkeit ”S” von Sauerstoff, wird Sauerstoff aus der Siliziumoxidschicht (nicht gezeigt) herausgelöst, die in der Leerstelle 20b ausgebildet ist, und es wird gleichzeitig Silizium an der Innenseite der Leerstelle 20b vorgesehen, und zwar auf Grund des Zwischengitterplatzsiliziuminjektionseffektes des Gases, welches während des RTA-Prozesses geliefert wird. Als ein Ergebnis nimmt die Größe der Leerstelle 20b ab und die Leerstelle 22b verschwindet dann schließlich.
Auf Grund des COP-Auflösungseffektes kann der RTA-Prozeß auf viele Arten von Wafern erweitert werden. Wie in der Tabelle 5 gezeigt ist, kann der COP-Auflösungseffekt bei Verwendung des H₂-Gases erhöht werden, und zwar in bezug auf die Verwendung von Ar-Gas.
Die 12 bis 16 sind Fotografien, die Sauerstoffabscheidungsverteilungen von Wafern zeigen, die einer nachfolgenden Wärmebehandlung unterworfen worden sind, und zwar nach dem RTA-Prozeß und die Sauerstoffabscheidungskonzentrationsprofile von 10 besitzen. Insbesondere entspricht 12 dem Fall gemäß der Verwendung von N₂-Gas, 13 entspricht dem Fall gemäß der Verwendung von Ar-Gas, 14 entspricht dem Fall gemäß der Verwendung von H₂-Gas, 15 entspricht dem Fall gemäß der Verwendung von N₂- und Ar-Gasen und 16 entspricht dem Fall gemäß der Verwendung von N₂- und H₂-Gasen. Auch zeigt die linke Seite von jeder Figur die obere Oberfläche des Wafers und die rechte Seite derselben zeigt die Bodenfläche des Wafers.
Die 17 bis 21 sind Fotografien, welche die Tiefe der DZ zeigen, die nahe der Oberfläche der Wafer gebildet wird, wo keine Sauerstoffabscheidungen existieren, welche Wafer einer nachfolgenden Wärmebehandlung, und zwar nach dem RTA-Prozeß, unterzogen wurden und die die Sauerstoffabscheidungskonzentrationsprofile von 10 besitzen. Insbesondere repräsentiert 17 den Fall gemäß der Verwendung von N₂-Gas, 18 repräsentiert den Fall gemäß der Verwendung von Ar-Gas, 19 repräsentiert den Fall gemäß der Verwendung von H₂-Gas, 20 repräsentiert den Fall gemäß der Verwendung von N₂- und Ar-Gasen und 21 repräsentiert den Fall gemäß der Verwendung von N₂- und H₂-Gasen. Wie aus der Tabelle 5 entnommen werden kann, wird die DZ lediglich in der N₂-Atmosphäre ausgebildet.
Die 22A bis 24B sind Fotografien, welche die Gestalten von genauso gewachsenen COPs zeigen, und solche der COPs zeigen, die sich geändert haben, und zwar nach dem RTA-Prozeß von 5. Speziell geben die 22A und 22B die Fälle wieder, bei denen der RTA-Prozeß in der N₂-Atmosphäre durchgeführt wurde, die 23A und 23B geben die Fälle wieder, bei denen der RTA-Prozeß in der N₂- und Ar-Atmosphäre durchgeführt wurde, und die 24A und 24B repräsentieren die Fälle, bei denen der RTA-Prozeß in der N₂- und H₂-Atmosphäre durchgeführt wurde. Wie in der Tabelle 5 gezeigt ist, werden die COPs nicht wesentlich in der N₂-Atmosphäre aufgelöst. Auch verläuft die Auflösung der COPs in einer Gasmischatmosphäre sanft oder gedämpft, in der N₂-Gas mit Ar- oder H₂-Gas gemischt ist, und speziell können die COPs vollständig in der H₂-Atmosphäre aufgelöst werden. Es kann aus diesem Ergebnis auch abgeleitet werden, daß das Reduzieren der Größen der COPs in dem Wachstumszustand dazu beitragen kann, die COPs während des RTA-Prozesses von 5 vollständig aufzulösen.
Die beschriebenen Verfahren können die Verteilung von Sauerstoffabscheidungen steuern, die vermittels der nachfolgenden thermischen Prozeßzyklen ausgebildet werden, die gewöhnlich bei der Herstellung einer Halbleitervorrichtung gebildet werden, indem der nicht erfindungsgemäße RTA-Prozeß von 5 bei einem Siliziumwafer durchgeführt wird. Es werden nun Ausführungsformen einer Gesamtwafervorbereitung, während welcher der RTA-Prozeß durchgeführt wird, um die Vorbereitung von Wafern, die bei der Anwendung des RTA-Prozesses effektiv ist, im folgenden beschrieben.
25 zeigt ein Flußdiagramm, welches die Vorbereitung von Wafern veranschaulicht, und speziell einen allgemeinen Wafererzeugungsprozeß nach dem Kristallwachstum (S10) veranschaulicht. Eine Gesamtübersicht der allgemeinen Waferherstellungstechnik wird in dem Kapitel 1 des Textbuches ”Silicon Processing for the VLSI Era”, Band 1, Prozeß Technologie, von S. Wolf und R. N. Tauber, 1986, S. 1–35, gegeben, dessen Offenbarung hier unter Bezugnahme voll mit einbezogen wird. Gemäß 25 umfaßt der allgemeine Waferherstellungsprozeß den Schritt gemäß einem Kristallwachstum (S10), bei dem ein Block wachsen gelassen wird, und zwar unter Verwendung einer CZ-Ziehvorrichtung, umfaßt einen Scheibenbildungsschritt (S12) gemäß einer Scheibenbildung des Blocks im Wafer, einen Ätzschritt (S14) gemäß einem Abrunden der Kanten oder Ränder von jeder Scheibe oder Ätzen der Oberflächen der Scheiben. Dann wird nach einem Reinigungsschritt (S16) gemäß einem Reinigungsvorgang der Oberflächen der Scheiben ein Donator-Beseitigungsschritt (S18) durchgeführt und die oberen Oberflächen der Wafer werden dort, wo die Halbleitervorrichtungen ausgebildet werden, poliert (S20) und es werden dann die polierten Wafer bei einem zweiten Reinigungsschritt (S22) gereinigt. Die resultierenden Wafer werden dann verpackt (S24).
Der RTA-Prozeß von 5 wird in dem Donator-Beseitigungsschritt (S18) durchgeführt. Der RTA-Prozeß kann in einem getrennten Schritt ausgeführt werden. Es ist jedoch zu bevorzugen, den RTA-Prozeß bei dem Donator-Beseitigungsschritt (S18) im Hinblick auf die Kosten durchzuführen. Im allgemeinen betrifft die Donator-Beseitigung einen Prozeß gemäß einer Umsetzung der Sauerstoffkomponente, die in dem Siliziumblock enthalten ist, wobei der Sauerstoff in Form von Ionen vorhanden ist, und zwar während der nachfolgenden Herstellung einer Halbleitervorrichtung, und als Donator von Elektronen wirkt, um Fremdstoffionen zu implantieren, und zwar in die Sauerstoffabscheidungen vermittels einer Wärmebehandlung, und zwar während des Waferherstellungsprozesses, um dadurch die Möglichkeit zu reduzieren, als Donator zu funktionieren. Diese Wärmebehandlung wird bei etwa 700°C für ca. 30 Sekunden oder mehr in einem RTA-Ofen durchgeführt.
27 zeigt eine schematische Ansicht einer herkömmlichen CZ-Ziehvorrichtung, in welcher das Kristallwachstum (S10) durchgeführt wird. Wie in 27 gezeigt ist, enthält die CZ-Ziehvorrichtung 100 einen Ofen, einen Kristallziehmechanismus, einen Umgebungscontroller und ein computergestütztes Steuersystem. Der CZ-Ofen wird im allgemeinen als Heißzonenofen bezeichnet. Der Heißzonenofen enthält eine Heizvorrichtung 104, einen Schmelztiegel 106, der aus Quarz hergestellt sein kann, ein Succeptor 108, der aus Graphit hergestellt sein kann, und eine Drehwelle 110, die sich um eine Achse in einer ersten Richtung 112 in der gezeigten Weise dreht.
Ein Kühlmantel oder Öffnung 132 wird mit Hilfe einer externen Kühleinrichtung gekühlt, wie beispielsweise durch eine Wasserkühlung. Ein Hitzeschild 114 kann eine zusätzliche thermische Verteilung liefern. Eine Hitzepackung 102 ist mit einem Wärme absorbierenden Material 116 gefüllt, um dadurch eine zusätzliche thermische Verteilung oder Zerstreuung zu liefern.
Der Kristallziehmechanismus enthält eine Kristallziehwelle 120, die um die Achse in einer zweiten Richtung 122 gedreht werden kann, und zwar entgegengesetzt zu der ersten Richtung 112, wie dies gezeigt ist. Die Kristallziehwelle 120 enthält einen Kristallkeimhalter 120a an ihrem Ende. Der Kristallkeimhalter 120a hält einen Kristallkeim 124, der aus einer Siliziumschmelze 123 in dem Schmelztiegel 106 gezogen wird, um einen Block 128 zu bilden.
Das Umgebungssteuersystem kann eine Kammerumschließung 130 enthalten, ebenso den Kühlmantel 132 und andere Strömungssteuervorrichtungen und auch Vakuumentleerungssysteme, die nicht gezeigt sind. Das computergestützte Steuersystem kann dazu verwendet werden, um die Heizelemente zu steuern, ebenso die Ziehvorrichtung und andere elektrische und mechanische Elemente.
Um einen einkristallinen Siliziumblock wachsen zu lassen, wird der Kristallkeim 124 in Berührung mit der Siliziumschmelze 126 gebracht und wird allmählich in axialer Richtung (aufwärts) gezogen. Die Abkühlung und die Aushärtung des geschmolzenen Siliziums 126 in einkristallines Silizium erfolgt an der Zwischenschicht 131 zwischen dem Block 128 und der Siliziumschmelze 126. Wie in 27 gezeigt ist, ist die Zwischenschicht 131 relativ zu der Siliziumschmelze 126 konkav.
Es kann ein gesteuertes Sauerstoffabscheidungskonzentrationsprofil, wie in 4 gezeigt ist, von wenigstens drei Typen eines Siliziumwafers erhalten werden, und zwar gemäß dem oben beschriebenen RTA-Prozeß. Spezifisch ausgedrückt, kann der RTA-Prozeß bei einem ”perfekten” Wafer angewendet werden, in welchem keine Defektstellen vorhanden sind, wie beispielsweise zwischen Gitterplatzagglomerate und Gitterleerstellenagglomerate; ebenso bei einem ”halbperfekten” Wafer, bei welchem Gitterleerstellenagglomerate in lediglich einer leerstellenreichen Zone vorhanden sind, und zwar innerhalb eines vorbestimmten Radius vom Zentrum des Wafers aus, und bei dem keine Gitterleerstellenagglomerate und Zwischengitterplatzagglomerate außerhalb der leerstellenreichen Zone vorhanden sind; und bei einem Wafer, der lediglich Gitterleerstellenagglomerate durch den Wafer hindurch enthält, und zwar ohne Zwischengitterplatzagglomerate. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf die zuvor angegebenen Wafer beschränkt und umfaßt alle Typen von Wafer, bei denen das Prinzip der vorliegenden Erfindung angewendet werden kann. Wie oben beschrieben wurde, kann das gesteuerte Sauerstoffabscheidungskonzentrationsprofil, wie dieses in 4 gezeigt ist, dadurch erzielt werden, indem der RTA-Prozeß von 5 durchgeführt wird und die nachfolgende Wärmebehandlung bei einem Siliziumwafer durchgeführt wird. Auch in bezug auf die COPs liefern die Verfahren einen Wafer, bei dem die COPs lediglich in der massigen Zone des Wafers vorhanden sind, nicht jedoch in den DZs vorhanden sind.
Um die Defektstellen der Siliziumwafer zu verhindern, haben sich viele praktische Anstrengungen auf den Kristallwachstumsprozeß in Verbindung mit einem hochreinen Block konzentriert. Es ist beispielsweise weit verbreitet bekannt, daß die Ziehrate des Kristallkeims und die Temperaturgradienten in der Heißzonenstruktur gesteuert werden sollten. Die Steuerung der Ziehrate (V) des Blocks und der Temperaturgradienten (G) der Block-Siliziumschmelze-Zwischenschicht sind in Einzelheiten in ”The Mechanism of Swirl Defects Formation in Silicon” von Voronkov, Journal of Crystal Growth, Band 59, 1982, S. 625–643, beschrieben. Auch kann eine Anwendung der Voronkov'schen Theorie in einer Veröffentlichung des Erfinders der vorliegenden Anmeldung et al. gefunden werden, und zwar mit dem Titel ”Effect of Crystal Defects an Device Characteristic”, Proceedings of the Second International Symposium an Advanced Science and Technology of Silicon Material, 25.–29. November 1996, S. 519. Diese Veröffentlichung offenbart, daß dann, wenn das Verhältnis von V zu G (als V/G-Verhältnis bezeichnet) unterhalb von einem kritischen Verhältnis (V/G)* liegt, eine zwischengitterplatzreiche Zone gebildet wird, während dann, wenn die V/G-Verhältnisse über dem kritischen Verhältnis (V/G)* liegen, eine gitterleerstellenreiche Zone gebildet wird.
Insbesondere zeigt 26 eine konzeptmäßige Ansicht, welche die Beziehung zwischen der relativen Punktdefektverteilung in einem Siliziumblock und dem V/G-Verhältnis veranschaulicht. Wie in 26 gezeigt ist, wird während des Blockwachstums für ein V/G-Verhältnis oberhalb eines kritischen V/G-Verhältnisses (V/G)* eine gitterleerstellenreiche Zone gebildet. Auch für ein V/G-Verhältnis, bei welchem die Gitterleerstellenkonzentration über einer kritischen Gitterleerstellenkonzentration C_v* liegt, werden Gitterleerstellenagglomerate gebildet, während bei einem V/G-Verhältnis, bei dem die Zwischengitterplatzkonzentration oberhalb einer kritischen Zwischengitterplatzkonzentration C₁* liegt, Zwischengitterplatzagglomerate gebildet werden. Auch bildet in 26 die Breite oder Weite von (V/G)_I* bis (V/G)_B* ein B-Band, welches zwischengitterplatzbezogene Defektstellen angibt (klein bemessene Fehlplazierungen), und wobei die Weite oder Breite von (V/G)_V* bis (V/G)_P* ein P-Band repräsentiert, welches einen O. S. F.-Ring darstellt (groß bemessene Sauerstoffabscheidungen).
Es können Ausführungsformen nach der vorliegenden Erfindung bei einem perfekten Wafer ohne Defektstellen angewendet werden, der ein V/G-Verhältnis zwischen dem B-Band und dem P-Band während des Blockwachstums aufweist, bei einem halbperfekten Wafer angewendet werden, der ein V/G-Verhältnis mit dem P-Band aufweist, und bei einem Wafer, bei dem Gitterleerstellenagglomerate durch den Wafer hindurch ausgebildet sind, und zwar entsprechend dem V/G-Verhältnis oberhalb des kritischen V/G-Verhältnisses (V/G)_V* entsprechend der kritischen Gitterleerstellenkonzentration C_V*.
Perfekte Wafer und halbperfekte Wafer, die in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind in Einzelheiten in der US-Anmeldung Nr. 08/989,591 und der Continuation-in-Part derselben gemäß den US-Anmeldungen Nrn. 09/320,210 und 09/320,102 beschrieben, die hier unter Bezugnahme voll mit einbezogen werden. Es wird daher eine detaillierte Beschreibung derselben hier weggelassen.
28 zeigte eine schematische Ansicht einer modifizierten CZ-Ziehvorrichtung, die in den Continuation-in-Part-Anmeldungen offenbart ist, bei der ein Hitzeschild 214 modifiziert ist, und zwar verglichen mit der CZ-Ziehvorrichtung, die in 27 gezeigt ist. Kurz gesagt, enthält, wie in 28 dargestellt ist, die modifizierte CZ-Ziehvorrichtung 200 einen Ofen, einen Kristallziehmechanismus, einen Umgebungscontroller und ein computergestütztes Steuersystem. Der Heißzonenofen enthält eine Heizvorrichtung 204, einen Schmelztiegel 206, einen Succeptor 208 und eine Drehwelle 210, die sich um eine Achse in einer ersten Richtung 212 dreht, wie dies gezeigt ist. Ein Kühlmantel 232 und ein Hitzeschild 214 können eine zusätzliche thermische Verteilung liefern, und eine Hitzepackung 202 enthält ein Wärme absorbierendes Material 216, um dadurch eine zusätzliche Wärmeverteilung zu erreichen.
Der Kristallziehmechanismus enthält eine Kristallziehwelle 220, die um die Achse in einer zweiten Richtung 222 gedreht werden kann, entgegengesetzt zu der ersten Richtung 212, wie dies dargestellt ist. Die Kristallziehwelle 220 enthält einen Kristallkeimhalter 220a am Ende derselben. Der Kristallkeimhalter 220a hält einen Kristallkeim 224, der aus der Siliziumschmelze in dem Schmelztiegel 206 gezogen wird, um einen Block 228 zu bilden.
Das Umgebungssteuersystem kann eine Kammerumschließung 230 enthalten, ebenso einen Kühlmantel 232 und andere Strömungssteuervorrichtungen und Vakuumentlüftungssysteme, die nicht gezeigt sind. Das computergestützte Steuersystem kann dazu verwendet werden, um die Heizelemente zu steuern, ebenso die Ziehvorrichtung und auch andere elektrische und mechanische Elemente.
Um einen einkristallinen Siliziumblock wachsen zu lassen, wird der Kristallkeim 224 in Berührung mit der Siliziumschmelze 226 gebracht und wird allmählich in axialer Richtung (nach oben) gezogen. Das Abkühlen und Hart werden des geschmolzenen Siliziums 226 in ein einkristallines Silizium erfolgt an der Zwischenschicht oder dem Kontaktbereich 231 zwischen dem Block 228 und der Siliziumschmelze 226. Im Gegensatz zu der CZ-Ziehvorrichtung von 27 enthält die CZ-Ziehvorrichtung 200 von 28 ferner ein Hitzeschildgehäuse 234 in dem Hitzeschild 214, welches eine genauere Steuerung des V/G-Verhältnisses ermöglicht.
29 ist eine schematische Ansicht einer modifizierten CZ-Ziehvorrichtung, und 30 veranschaulicht Einzelheiten der modifizierten Teile der CZ-Ziehvorrichtung von 29. In den 29 und 30 sind gleiche Bezugszeichen, die in 28 verwendet sind, dazu verwendet, um ähnliche oder gleiche Elemente zu bezeichnen, und es sind lediglich die Unterschiede zu der CZ-Ziehvorrichtung von 28 beschrieben. Es sei erwähnt, dass diese CZ-Ziehvorrichtung selbst nicht Teil der beanspruchten Erfindung ist, aber einem besseren Verständnis derselben dient. Wie in den 29 und 30 gezeigt ist, umfassen die Änderungen von der CZ-Ziehvorrichtung von 28 die Gestalt eines Hitzeschildgehäuses 300 und die zusätzliche Installation einer Hitzeschildplatte 360. Das Hitzeschildgehäuse 300, welches eine um 90° gedrehte Trapezgestalt besitzt, ähnlich einem Ring, enthält eine innere Hitze- oder Wärmeschildgehäusewand 310 und eine äußere Wärmeschildgehäusewand 330, die in bevorzugter Weise vertikal verlaufen, und ein Wärmeschildgehäuseoberteil 340 und ein Wärmeschildgehäusebodenteil 320, welche die inneren und die äußeren Wärmeschildgehäusewände 310 und 330 verbinden. Hierbei verläuft das Wärmeschildgehäuseoberteil 340 nach oben hin schräg, und zwar in einem Winkel β von der Horizontalen aus gemessen, und zwar von der inneren Wärmeschildgehäusewand 310 ausgehend, zu der äußeren Wärmeschildgehäusewand 330 hin, während der Wärmeschildgehäuseboden 320 nach unten hin schräg verläuft, und zwar in einem Winkel α von der Horizontalen aus gemessen, und von der inneren Wärmeschildgehäusewand 310 ausgehend zur äußeren Wärmeschildgehäusewand 330 hin verlaufend, wobei die trapezförmige Gestalt gebildet wird, wie dies dargestellt ist.
Das ringförmig gestaltete Wärmeschildgehäuse 300 kann mit einem Wärme absorbierenden Material (nicht gezeigt) gefüllt sein und kann auch Kohlenstofferrit gebildet sein.
Auch ist das Wärmeschildgehäuse 300 an dem oberen Bereich einer Wärmepackung 202 durch ein Halterungsteil 350 befestigt. Die Wärmeschildplatte 360 ist zwischen dem Wärmeschildgehäuseoberteil 340 des Wärmeschildgehäuses 300 und dem Kühlmantel 232 angeordnet, und zwar um den Block herum, der gezogen wird.
Die Konfiguration der CZ-Ziehvorrichtung, die in den 29 und 30 gezeigt ist, schafft die Möglichkeit, die Abkühlrate des Blocks zu erhöhen. Die Größe der Leerstellen, die in dem gezogenen Block vorhanden sind, ist im allgemeinen proportional zur Quadratwurzel der anfänglichen Leerstellenkonzentration an der Block-Siliziumschmelze-Zwischenschicht oder -Berührungsschicht, ist jedoch umgekehrt proportional zu der Quadratwurzel aus der Abkühlrate des Blocks. Wie in Verbindung mit 11 beschrieben wurde, gilt, solange die Größe der Leerstellen, die in dem Block vorhanden sind, der während des Kristallwachstums gebildet wird, kleiner ist als eine vorbestimmte Größe, können, obwohl der gezogene Block Leerstellen enthält, die Leerstellen aus der DZ mit Hilfe des RTA-Prozesses gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aufgelöst werden.
Um somit die Größe der Leerstellen in dem Block zu reduzieren, was gemäß den Ausführungsformen nach der vorliegenden Erfindung wünschenswert ist, kann die Abkühlrate des Blocks erhöht werden. Wenn die Abkühlrate des Blocks zunimmt, nimmt der Temperaturgradient gC am Zentrum des Blocks zu. Wenn daher das V/G-Verhältnis für eine vorbestimmte Defektstellenverteilung konstant ist, sollte die Ziehrate des Blocks (V) erhöht werden.
Um die Abkühlrate des Blocks auf wenigstens 1,4°K/Minute oder noch mehr basierend auf der Temperatur des Blocks am Zentrum desselben zu erhöhen, um den Block von der Temperatur an der Block-Siliziumschmelze-Zwischenschicht oder -Berührungsschicht auf eine vorbestimmte Temperatur des Blocks abzukühlen, kann wenigstens eine der Größen variiert werden, wie die Länge a der inneren Wärmeschildgehäusewand 310, die Länge c der äußeren Wärmeschildgehäusewand 330, der Winkel β des Wärmeschildgehäuseoberteils 340, der Winkel α des Wärmeschildgehäusebodens 320, der Abstand d zwischen dem Block 228 und der inneren Wärmeschildgehäusewand 310, der Abstand f zwischen dem Schmelztiegel 206 und der äußeren Wärmeschildgehäusewand 330, der Abstand e zwischen der inneren und der äußeren Wärmeschildgehäusewand 310 und 330, der Abstand b zwischen der inneren Wärmeschildgehäusewand 310 und der Siliziumschmelze 226, und die Position der Wärmeschildplatte 360.
Bei der CZ-Ziehvorrichtung von 29 kann auf Grund der hohen Abkühlrate des gezogenen Blocks die Ziehrate des Blocks erhöht werden, beispielsweise in dem Bereich von 0,50 bis 1,00 mm/Minute, so daß die Produktivität des Blocks erhöht werden kann. Zusätzlich kann eine Verarbeitungsgrenze für perfekte Wafer oder halbperfekte Wafer für das Wachstum des Blocks vorgegeben werden, die mit Hilfe der CZ-Ziehvorrichtung von 28 hergestellt werden.
Wie oben beschrieben können Siliziumwafer herstellen, die sehr gut für die Herstellung von hochdichten und/oder hochqualitativen integrierten Schaltungen geeignet sind. Es wurde jedoch festgestellt, daß bei einer Massenproduktionsumgebung Siliziumwafer, die gemäß den Verfahren hergestellt wurden, wie sie oben beschrieben sind, unerwünscht hohe Werte von Gleitungen in den Vorrichtungszonen aufweisen können. Die Gleitung (slip) in den Vorrichtungszonen können durch Eigenwichtung induzierte Spannung des Wafers auf seinen Halterungsstiften und/oder Halterungsring während des schnellen thermischen Anlassens oder durch STI-Verdichtung induzierte Spannung verursacht werden. Diese Gleitungen (slips) können die Zuverlässigkeit und/oder den Durchsatz von integrierten Schutzvorrichtungen nachteilig beeinflussen, die aus den Wafern hergestellt werden.
Es wurde darüber hinaus festgestellt, daß die Siliziumwafer, die in der oben beschriebenen Weise hergestellt wurden, eine unerwünschte Siliziumdioxidsublimation an der RTA-Kammer verursachen können. Spezieller ausgedrückt, kann ein natürliches Oxid oder ein anderes Siliziumdioxid (SiO₂) aus dem Wafer während des RTA-Prozesses verdampfen und kann sich an der RTA-Quarzkammer niederschlagen. Die SiO₂-Sublimation an der RTA-Kammer kann den Wirkungsgrad, die Zuverlässigkeit und/oder Wiederholbarkeit des RTA-Prozesses reduzieren und kann ein häufiges Reinigen und oder Ersetzen der RTA-Kammer erforderlich machen.
Die Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus einer Realisierung, daß der RTA-Prozeß, der zur Herstellung des Sauerstoffabscheidungskonzentrationsprofils verwendet wird, welches erste und zweite Spitzen, eine denudierte Zone und eine konkave Zone zwischen der ersten und der zweiten Spitze enthält, in einer Atmosphäre einer Gasmischung durchgeführt werden kann, die Ammoniak (NH₃) und Argon (Ar) enthält, anstatt einer Gasmischung aus Stickstoff (N₂) und Argon (Ar), wie dies oben beschrieben wurde. Durch die Verwendung von Ammoniak als Leerstelleninjektionsgas anstelle von Wasserstoff kann der RTA-Prozeß bei einer niedrigeren Temperatur stattfinden, wie beispielsweise bei einer Temperatur zwischen etwa 1100°C und etwa 1120°C oder bei etwa 1120°C, im Gegensatz zu der höheren Temperatur wie 1220°C, die zuvor in Verbindung mit der Stickstoff- und Argonatomsphäre verwendet wurden. Indem RTA-Prozesse mit niedriger Temperatur zugelassen werden, kann das Ausmaß der Gleitung und/oder das Ausmaß der Siliziumdioxidsublimation dramatisch reduziert werden. Demzufolge lassen sich der Durchsatz und die Zuverlässigkeit von integrierten Schaltungen, die aus den Wafern hergestellt werden, erhöhen und/oder die Massenproduktionskosten bei der Herstellung der Wafer können reduziert werden.
Spezieller ausgedrückt, können gemäß den Ausführungsformen der Erfindung Siliziumwafer hergestellt werden, die ein Sauerstoffabscheidungskonzentrationsprofil enthalten, welches eine erste und eine zweiten Spitze, eine denudierte Zone zwischen der oberen Oberfläche des Wafers und der ersten Spitze und zwischen der Bodenfläche des Wafers und der zweiten Spitze, und eine konkave Zone zwischen der ersten und der zweiten Spitze aufweist, wie dies oben beschrieben wurde. Jedoch kann gemäß den Ausführungsformen der Erfindung die denudierte Zone zwischen der Bodenfläche des Wafers und der zweiten Spitze wenigstens eine Zone einer Gleitung enthalten, während die denudierte Zone zwischen der oberen Oberfläche des Wafers und der ersten Spitze von einer Gleitfehlplazierung frei ist. Spezieller ausgedrückt, kann eine gleitungsfreie Zone mit einer Dicke zwischen etwa 5 μm und 40 μm von der oberen Oberfläche des Wafers aus erzeugt werden, so daß die Vorrichtungen, die darin ausgebildet werden, mit einem erhöhen Durchsatz, Qualität und/oder Zuverlässigkeit hergestellt werden können. Darüber hinaus kann eine Vielzahl von seichten Grabenisolationszonen (STI) in der denudierten Zone zwischen der oberen Oberfläche des Wafers und der ersten Spitze ausgebildet werden, und zwar mit einer STI-Gleitung (slip), die verglichen mit einigen STI-Zonen in dem Siliziumwafer reduziert ist, in welchem die Sauerstoffabscheidungen von der STI-Zone weit weg vorhanden sind. In bevorzugter Weise sind die STI-Zonen frei von einer STI-Gleitung.
Darüber hinaus erlauben die Ausführungsformen nach der Erfindung, daß der RTA-Prozeß bei einer Temperatur zwischen etwa 1100°C und etwa 1120°C oder bei etwa 1120°C durchgeführt wird, um das Keimzentrumskonzentrationsprofil zu erzeugen, welches oben beschrieben wurde. Da jedoch niedrigere Temperaturen angewendet werden können, kann eine Gleitung in der oben beschriebenen Weise reduziert werden und es kann auch die Siliziumdioxidsublimierung reduziert oder beseitigt werden.
Speziell wird bei den Ausführungsformen der Erfindung ein RTA-Prozeß bei einem Siliziumwafer mit einer oberen Oberfläche und einer Bodenfläche durchgeführt, und zwar in einer Atmosphäre, die Argon und Ammoniak enthält, wobei der Prozeß für wenigstens 5 Sekunden durchgeführt wird und bei einer Temperatur zwischen etwa 1100°C und 1120°C oder bei etwa 1120°C. Bei einigen Ausführungsformen wird vor der Durchführung des RTA-Prozesses Sauerstoff aus der Argonatmosphäre ausgetrieben, um dadurch eine Wechselwirkung zwischen dem Sauerstoff und dem Ammoniak zu reduzieren oder zu verhindern. Es kann ein Sensor verwendet werden, um zu fühlen, daß weniger als eine vorbestimmte Konzentration an Sauerstoff in der Atmosphäre vorhanden ist. Alternativ kann die Temperatur auf einer vorbestimmten Temperatur gehalten werden, beispielsweise auf etwa 800°C für eine vorbestimmte Zeitdauer, beispielsweise für 10 Sekunden, um dadurch eine Reinigung von dem Sauerstoff zu ermöglichen bzw. den Sauerstoff auszutreiben. Nachdem der RTA-Prozeß durchgeführt worden ist, kann der Ammoniak aus der Atmosphäre beseitigt werden.
Die RTA-Prozesse gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können sequentiell an einer Reihe von Siliziumwafern in einer RTA-Kammer durchgeführt werden, und zwar unterhalb einer Temperatur, die eine Sublimation des Siliziumdioxids bewirkt, und zwar aus der Reihe der Siliziumwafer in die RTA-Kammer bzw. an dieselbe. Temperaturen unterhalb von etwa 1120°C können verwendet werden. Demzufolge kann der Bedarf, die Kammer zu reinigen und/oder zu ersetzen, reduziert werden oder gar beseitigt werden. Bei einem speziellen Beispiel wurde dann, wenn der RTA-Prozeß unter Verwendung von Wasserstoff und Ammoniak bei Temperaturen oberhalb von 1200°C durchgeführt wurde, festgestellt, daß die RTA-Kammer gereinigt werden muß und/oder nach allen sechs Monaten ersetzt oder erneuert werden muß. Im scharfen Gegensatz dazu, braucht bei den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, bei denen der RTA-Prozeß bei niedrigeren Temperaturen, wie beispielsweise bei Temperaturen von weniger als 1150°C unter Verwendung von Ammoniak und Argon nicht gereinigt zu werden bzw. es braucht die RTA-Kammer nicht alle sechs Monate oder öfter ersetzt zu werden.
37 veranschaulicht in grafischer Form ein Zeit-/Temperaturprofil für den RTA-Prozeß gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Es sei darauf hingewiesen, daß die RTA-Prozesse, wie sie in 37 veranschaulicht sind, das gleiche M-gestaltete Profil für einen Wafer erzeugen können, welches in 4 veranschaulicht ist, jedoch auch eine Reduzierung der Gleitungsspannung und/oder Reduzierung der Siliziumdioxidsublimation erlauben. Darüber hinaus können Ausführungsformen der Erfindung, die in Verbindung mit 37 beschrieben wurden, in Kontrast zu Vergleichsbeispielen stehen, bei denen die RTA-Prozesse durchgeführt werden, die in Verbindung mit 5 beschrieben wurden.
Um nun auf 37 einzugehen, so wird vor dem Zeitpunkt (a) ein Wafer in eine RTA-Kammer oder einen Ofen geladen, wie beispielsweise einen herkömmlichen RTA-Quarzofen, dessen Temperatur auf beispielsweise etwa 800°C eingestellt ist, und zwar für eine Standby-Periode I, wie etwa 10 Sekunden. Während dieser Zeit findet eine Argonströmung innerhalb der RTA-Kammer statt. Ferner kann während dieser Zeitperiode I zwischen den Zeitpunkten (a) und (b) eine Sauerstoffbeseitigung (purge) stattfinden, um den Sauerstoff zu beseitigen oder auszutreiben, der aus dem Wafer heraus diffundieren kann und/oder anderweitig in der RTA-Atmosphäre vorhanden ist. Das Austreiben des Sauerstoffs kann dadurch stattfinden, indem die RTA-Temperatur auf der Standby-Temperatur für eine vorbestimmte Zeitperiode I gehalten wird, wie beispielsweise für 10 Sekunden und/oder indem ein Sensor in der RTA-Kammer vorgesehen wird, der feststellen kann, daß eine Sauerstoffkonzentration innerhalb der Kammer unter einen vorbestimmten Wert abgenommen hat, wie beispielsweise einen Wert weniger als 1 ppma.
Um mit der Beschreibung von 37 fortzufahren, wird am Ende der Sauerstoffreinigungsperiode I die Temperatur in dem RTA-Ofen plötzlich erhöht, beispielsweise in einer Rate von etwa 50°C pro Sekunde, und zwar während eine Zeitintervalls II. Gleichzeitig mit dieser Erhöhung wird Ammoniak (NH₃) durch die Kammer strömen gelassen. Es sei darauf hingewiesen, daß der Start der Ammoniakströmung vor dem Beginn der Temperatursteigerung stattfinden kann, und zwar vor dem Zeitpunkt (b) bei irgendeiner Stufe während des Anstiegs bzw. dem Hochfahren zwischen den Zeitpunkten (b) und (c) oder nachdem einmal die RTA-Temperatur nach dem Zeitpunkt (c) erreicht worden ist. Wie in 37 gezeigt ist, kann die NH₃-Strömung mit dem Beginn des Hochfahrens der Temperatur zum Zeitpunkt (b) koinzidieren.
Um noch weiter mit der Beschreibung von 37 fortzufahren, so wird der RTA-Prozeß während des Zeitintervalls III zwischen den Zeitpunkten (c) und (d) für einen Zeitraum zwischen etwa 5 Sekunden und etwa 30 Sekunden aufrecht erhalten. Wie in 37 gezeigt ist, wird der RTA-Prozeß während des Zeitintervalls III in bevorzugter Weise bei einer Temperatur zwischen etwa 1100°C und etwa 1200°C oder zwischen 1100°C und 1150°C durchgeführt. Der Temperaturbereich oberhalb von 1120°C entspricht jedoch nicht dem erfindungsgemäßen Verfahren. Bei den Ausführungsformen der Erfindung wird der RTA-Prozeß bei einer Temperatur von etwa 1100°C und etwa 1120°C aufrecht erhalten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der RTA-Prozeß bei etwa 1120°C durchgeführt. Die RTA-Prozesse stehen im Gegensatz zu der oben erläuterten 5, gemäß welcher der RTA-Prozeß bei etwa 1250°C durchgeführt wird, und auch mit anderen herkömmlichen RTA-Prozessen, wie sie beispielsweise in den oben beschriebenen US-Patenten 6,204,152 und 5,994,761 beschrieben sind.
Um weiter auf 37 einzugehen, so wird bei dem Zeitintervall IV die Temperatur des RTA-Ofens scharf abgesenkt (nach unten gefahren), beispielsweise in einer Rate zwischen etwa 10°C/Sekunde und etwa 70°C/Sekunde und in bevorzugter Weise in einer Rate von etwa 33°C/Sekunde auf eine Temperatur der Standby-Periode V. In bevorzugter Weise wird die Strömung des Ammoniaks solange aufrecht erhalten, bis das Ende der Absenkperiode IV erreicht ist, das heißt am Zeitpunkt (e). Es kann jedoch die Ammoniakströmung während der Absenkperiode IV beendet werden oder auch während der RTA-Periode III. Während der Standby-Periode V erfolgt in bevorzugter Weise eine Ammoniakreinigung (purge), beispielsweise beginnend zum Zeitpunkt (e). Es kann jedoch die Ammoniakreinigung auch früher stattfinden oder auch überhaupt nicht stattfinden. In bevorzugter Weise kann dann, wenn Ammoniak einmal ausgetragen wurde, der Wafer aus dem RTA-Ofen zum Zeitpunkt (f) entladen werden.
Es wurde festgestellt, daß gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die RTA-Profile von 37 dazu verwendet werden können, um die gleiche wünschenswerte M-gestaltete Sauerstoffabscheidungskonzentrationskurve von 4 zu erzeugen, wobei die Möglichkeit geschaffen wird, die Gleitung und/oder Sauerstoffsublimation signifikant zu reduzieren und/oder zu beseitigen.
Die Prozeßtemperaturbereiche von 37 sind lediglich beispielhaft zu verstehen. Darüber hinaus können bei dem RTA-Prozeß gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Strömungsraten der Umgebungsgase, das Mischverhältnis der Umgebungsgase, die Anstiegsrate, die Anlaßtemperatur, die Anlaßzeit und/oder die Absenkrate dazu beitragen, ein Profil zu erreichen, welches in 4 gezeigt ist, was noch weiter unten beschrieben wird.
38 veranschaulicht grafisch die Temperaturabhängigkeit der Sauerstoffabscheidung bei einem schnellen thermischen Anlaßprozeß von 37 gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, und zwar für vielfältige schnelle Anlaßtemperaturen (Intervall III von 37). Bei allen Fällen wurde eine Anlaßzeit bzw. Temperungszeit für den Intervall III von 10 Sekunden verwendet, und zwar bei einer Absenkrate in dem Intervall IV von 33,3°C pro Sekunde und einer gleichen Strömung von Argon und Ammoniak. 38 zeigt grafisch die Massenmikrodefektdichten (BMD) (das heißt die Gitterleerstellendefekte und die Zwischengitterplatzdefekte) für die erste und die zweite Spitze, die in 4 veranschaulicht sind (Spitze BMD) und für den niedrigsten Abschnitt in der konkaven Massenzone zwischen der ersten und der zweiten Spitze (Masse BMD). Die Quadrate, welche jeder BMD-Messung zugeordnet sind, zeigen die Tiefe der denudierten Zone von 4 an. Die BMD-Defektstellen sind in Form einer Dichte (cm^–2 ⁾ angezeigt und können in ein Volumen (cm^–3) durch Multiplizieren mit 10⁴ umgesetzt werden.
Gemäß 38 kann ersehen werden, daß das am weitesten rechts gelegene Paar von Balken eine DZ zeigt, die eine Tiefe von etwa 23 μm, ein Spitzen-BMD von etwa 1,4 × 10⁶ und ein Massen-BMD von etwa 1,2 × 10⁵ in einer Atmosphäre aus Argon und Stickstoff bei einer Temperatur von 1220°C besitzt. Wie in 38 dargestellt ist, können ähnliche Eigenschaften in einer Atmosphäre aus Argon und Ammoniak bei etwa 1120°C erzielt werden. Demzufolge kann ein ähnliches BMD-Profil bei 1120°C erhalten werden, was um 100°C niedriger ist als die Temperatur, die bei der Argon- und Stickstoffatmosphäre verwendet wird. 38 veranschaulicht auch, daß die Tiefe der DZ, die Massen-BMD und die Spitzen-BMD als eine Funktion der Temperatur gesteuert werden können. Der Bereich zwischen etwa 1100°C und etwa 1150°C kann die Tiefe der DZ steuern, während das Beibehalten oder Aufrechterhalten der Massen-BMD und der Spitzen-BMD relativ konstant gehalten werden. Beispielsweise zeigt sich, daß zwischen der Temperatur von etwa 1120°C und der nicht erfindungsgemäßen Temperatur von etwa 1170°C die Tiefe der DZ, die Spitzen-BMD und die Massen-BMD durch die Temperatur relativ unbeeinflußt bleiben, während bei einer erfindungsgemäßen Temperatur zwischen etwa 1100°C und etwa 1120°C die Tiefe der DZ mit zunehmender Temperatur abnimmt und die BMD-Spitzenkonzentration und die BMD-Massenkonzentration mit zunehmender Temperatur zunimmt.
39 veranschaulicht grafisch die Anlaßtemperaturabhängigkeit der Sauerstoffabscheidung gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wie in 39 gezeigt ist, ergibt sich, daß bei einer Anlaßtemperatur von 1120°C unter Verwendung gleicher Strömungen von Argon und Ammoniak weder die BMD-Spitze noch die BMD-Masse oder die DZ-Tiefe stark von der Anlaßtemperatur bzw. Temperungstemperatur zwischen 10 Sekunden bis 30 Sekunden abhängt. Um demzufolge den Durchsatz zu erhöhen, werden Anlaßzeiten von 10 Sekunden bevorzugt.
40 zeigt grafisch die Abhängigkeit der Sauerstoffabscheidung oder Sauerstoffausfällung von dem Verhältnis zwischen Argon- und Ammoniakströmung gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wie dargestellt ist, zeigt sich, daß die DZ-Tiefe, die Spitzen-BMD und die Massen-BMD nicht sehr stark von dem Verhältnis zwischen Argon und Ammoniak über einen weiten Bereich von Verhältnissen abhängig sind.
41 veranschaulicht grafisch die Abhängigkeit der Sauerstoffabscheidung bei der Absenkrate in dem Intervall IV von 37. Wie dargestellt ist, scheint sich eine geringe Abhängigkeit der DZ-Tiefe, der Spitzen-BMD oder der Massen-BMD von der Absenkrate zu ergeben, und zwar über einen weiten Bereich von Raten von etwa 10°C bis etwa 70°C pro Sekunde. Es können daher 33,3°C/Sekunde verwendet werden, und zwar aus Gründen, die noch weiter unten beschrieben werden sollen.
42 veranschaulicht grafisch die Spitzen-BMD und die Massen-BMD (bulk BMD) als eine Funktion der anfänglichen Sauerstoffkonzentration in dem gleich gewachsenen Siliziumblock und den Wafern in Einklang mit den Ausführungsformen nach der vorliegenden Erfindung. Die obere (ausgezogene) Linie zeigt die Spitzen-BMD-Dichte an und die untere (strichlierte) Linie zeigt die Massen-BMD-Dichte an. Wie gezeigt ist, ergibt sich, obwohl die Spitzen-BMD als relativ unabhängig von der anfänglichen Sauerstoffkonzentration während des Kristallwachstums ist, die Massen-BMD stark von der anfänglichen Sauerstoffkonzentration abhängig ist. Es kann daher die anfängliche Sauerstoffkonzentration dazu verwendet werden, um das Verhältnis zwischen Spitzen-zu-Massen-BMD zu steuern, und zwar von einem niedrigen Wert wie etwa 5, bei einer anfänglichen Sauerstoffkonzentration von etwa 13 ppma bis etwa 10 bei etwa 9 ppma. Speziell kann die anfängliche Sauerstoffkonzentration beispielsweise so ausgewählt werden, daß sie etwa 9 ppma beträgt, um dadurch eine Differenz zwischen der Spitzen-BMD und der Massen-BMD von wenigstens einer Größenordnung (etwa das zehnfache) zu erreichen.
Um zusammenzufassen, so zeigen die 38 bis 42 an, daß bei Verwendung einer Atmosphäre, die Ammoniak und Argon enthält, ein M-gestaltetes Sauerstoffabscheidungskonzentrationsprofil von 4 bei Temperaturen von weniger als 1200°C, weniger als 1150°C und einer Temperatur zwischen 1100°C und 1120°C und/oder bei etwa 1120°C erzielt werden kann, was mit dem Sauerstoffabscheidungskonzentrationsprofil vergleichbar ist, welches in Argon und Stickstoff erhalten werden kann, und zwar bei Temperaturen, die größer sind als etwa 1200°C, wie beispielsweise 1220°C. Es wird nun im folgenden gezeigt, auf welche Weise eine Gleitungserzeugung und eine SiO₂-Sublimation reduziert werden kann und in bevorzugter Weise beseitigt werden können, und zwar unter Verwendung der Ausführungsformen nach der vorliegenden Erfindung, bei denen die Temperaturbereiche, wie sie oben beschrieben wurden, zur Anwendung gelangen.
Vor der Beschreibung der Reduzierung der Gleitungserzeugung (slip generation) gemäß den Ausführungsformen der Erfindung wird eine Erläuterung hinsichtlich der Ursprünge der Gleitung vermittelt. Wie den Fachleuten gut bekannt ist, kann ein Wafer während eines RTA-Prozesses in einem RTA-Ofen gehaltert oder abgestützt werden, und zwar unter Verwendung von drei Abstützstiften oder einem Ring mit Rand. Indem der Wafer lediglich teilweise abgestützt wird, und zwar an den Halterungsstiften oder an dem Rand, kann das Eigengewicht des Wafers eine Spannung in dem Wafer induzieren, die selbst eine Gleitung verursachen kann. Die Gleitungserzeugung hat ihren Anfang oder Ursprung an der Bodenfläche des Wafers, die durch die Stifte oder den Ring abgestützt wird, und erstreckt sich nach oben hin zur oberen Oberfläche des Wafers, wo dann die Vorrichtungen ausgebildet werden. Um das Auftreten der Gleitung an den aktiven Vorrichtungen in bevorzugter Weise zu beseitigen oder zu reduzieren, kann es wünschenswert sein, eine gleitungsfreie Zone in der DZ zwischen der ersten Spitze und der ersten Oberfläche (oberen Oberfläche) vorzusehen. Um dies in anderer Weise auszudrücken, kann es wünschenswert sein, eine gleitungsfreie Zone bis zu einer Tiefe von etwa 40 μm von der oberen Oberfläche des Wafers aus vorzusehen. Somit gelangt die Gleitung von der Bodenfläche nicht in die Vorrichtungszone hinein. Unglücklicherweise kann es schwierig sein, eine gleitungsfreie Zone mit 40 μm unter Verwendung der herkömmlichen RTA-Prozesse zu erzeugen.
43 veranschaulicht grafisch die Gleitungslänge an der Bodenfläche eines Wafers gegenüber der Temperatur für den RTA-Prozeß gemäß den Ausführungsformen nach der vorliegenden Erfindung, bei denen Argon und Ammoniakatmosphären verwendet werden. In 43 wird die Gleitungslänge an drei Positionen in einem Wafer gemessen, was an der oberen linken Ecke angezeigt ist. Diese Positionen entsprechen den Positionen der Waferabstützstifte in einem RTA-Ofen. Der erste Abstützstift 1 befindet sich benachbart zum Gaseinlaß des RTA-Ofens, während sich die anderen Positionen 2 und 3 von dem Gaseinlaß entfernt befinden. Auch ist auf der rechten Seite von 43 als nicht erfindungsgemäßes Vergleichsbeispiel die Gleitungslängenmessung für eine Atmosphäre aus Argon und Stickstoff gezeigt.
Gemäß 43 wird bei einer nicht erfindungsgemäßen Temperatur von 1220°C in einer nicht erfindungsgemäßen Atmosphäre aus Argon und Stickstoff eine Gleitungslänge von 3,5 mm an der Position 1 an dem Wafer erzeugt, was unannehmbar ist. Im scharfen Gegensatz dazu, kann bei reduzierten Temperaturen entsprechend 1120°C eine Gleitungslänge von weniger als 1,5 mm erzeugt werden unter Verwendung von Argon- und Ammoniakatmosphären gemäß den Ausführungsformen nach der Erfindung. Eine Gleitungslänge von weniger als 1,5 mm am Boden des Wafers kann eine gleitungsfreie Zone an der oberen Fläche bzw. am oberen Bereich des Wafers erzeugen, und zwar bis zu einer Tiefe von 40 μm. Es kann daher eine gleitungsfreie aktive Zone eines Wafers hergestellt werden.
44 veranschaulicht in grafischer Form die Gleitungslänge gegenüber dem Argon-zu-Ammoniak-Gas-Verhältnis gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wie dargestellt ist, kann eine annehmbare Gleitung von weniger als 1,5 mm über einen weiten Bereich von Gasverhältnissen erzeugt werden.
45 veranschaulicht grafisch die Gleitungslänge als eine Funktion der Absenkrate (ramp-down rate) gemäß den Ausführungsformen nach der vorliegenden Erfindung. Wie ersehen werden kann, kann die Absenkrate die Gleitungslänge beeinflussen. Um eine Gleitungslänge von weniger als etwa 1,5 mm zu liefern, sollte eine Absenkrate von wenigstens etwa 30°C pro Sekunde aufrecht erhalten werden.
Die 46A und 46B zeigen Röntgenstrahltopographie-Fotografien (XRT) von Waferböden, die die Gleitung veranschaulichen und die einem nicht erfindungsgemäßen RTA-Prozeß in einer Argon- und Stickstoffatmosphäre bei 1250°C für 10 Sekunden bzw. einem erfindungsgemäßen RTA-Prozeß in einer Argon- und Ammoniak-Gasatmosphäre bei 1120°C für 10 Sekunden entsprechen. Wie in 46A gezeigt ist, kann eine merkliche Gleitung an der ersten Position des Wafers festgestellt werden entsprechend der Position #1 von den 43–45 und am oberen Bereich von 46A dargestellt. Im Gegensatz dazu besteht in 46B die einzige Defektstelle aus der Stiftmarkierung selbst, und zwar an den drei Stiftpositionen am Wafer. Es können daher Wafer mit gleitungsfreien aktiven Zonen hergestellt werden.
Ein anderer Aspekt der Gleitungsreduzierung gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird nun im folgenden beschrieben. Speziell kann durch das Vorsehen eines M-gestalteten Sauerstoffabscheidungskonzentrationsprofils mit einer ausreichend hohen Dichte von Sauerstoffabscheidungen unterhalb der DZ, die Gleitung in den Seichtgrabenisolationsvorrichtungen (STI) ebenso reduziert und in bevorzugter Weise beseitigt werden. Wie den Fachleuten auf dem vorliegenden Gebiet gut bekannt ist, kann STI dazu verwendet werden, um die Vorrichtungen, wie beispielsweise Transistoren, voneinander in einer aktiven Zone eines integrierten Schaltungssubstrats zu isolieren. Wie ebenfalls den Fachleuten auf dem vorliegenden Gebiet bekannt ist, wird bei STI ein Graben in der Fläche eines Halbleitersubstrats ausgebildet und wird dann mit einem isolierenden Material gefüllt, wie beispielsweise einem undotierten Silikatglas (USG) und/oder einem hochdichten Plasma (HDP). Der Graben kann auch mit einem unterschiedlichen Isolator ausgekleidet werden, wie beispielsweise mit Siliziumnitrid. Auf Grund der thermischen Ausdehnungsdifferenzen zwischen dem Siliziumwafer und dem isolierenden Material bzw. den isolierenden Materialien in dem Graben können Druckspannungen und/oder Zugspannungen an dem Zwischenbereich zwischen dem Graben und dem Substrat eingeführt werden.
Das Ausmaß der Spannung in der Grabenisolierzone kann eine Funktion des Längenverhältnisses oder Schlankheitsverhältnisses des Grabens und/oder anderer Prozeßbedingungen sein. Beispielsweise veranschaulicht die Tabelle 6 die Spannungsverteilung in einem Graben für drei Wafer D21, D19 und D17, bei denen das Längenverhältnis oder Streckungsverhältnis (aspect ratio) von dem Wafer D21 zu den Wafern D19 und zum Wafer D17 zunimmt. Wie in der Tabelle 6 gezeigt ist, ist die Spannung in dem Wafer D21 am höchsten und ist in dem Wafer D17 am niedrigsten.
TABELLE 6
47 veranschaulicht in grafischer Form die Spannung in dem Graben nach der Verdichtung eines Spaltfüllfilms für die Wafer von der Tabelle 6. In 47 ist die Länge der Linie proportional zum Ausmaß der Spannung.
Ohne den Wunsch zu äußeren, an eine Theorie hinsichtlich der Wirkungsweise gebunden zu sein, besteht eine Theorie darin, daß die Gleitung in der STI-Vorrichtung durch die Verwendung eines Sauerstoffabscheidungskonzentrationsprofils gemäß den Ausführungsformen nach der Erfindung reduziert werden kann, da eine Sauerstoffpinning-Erscheinung stattfinden kann. Insbesondere kann ein Sauerstoffabscheidungskonzentrationsprofil gemäß den Ausführungsformen nach der vorliegenden Erfindung eine aktive Vorrichtungszone liefern, die frei ist von Sauerstoffabscheidungen, jedoch eine hohe Dichte an Sauerstoffabscheidungen in dem Wafermassenbereich benachbart der aktiven Zone liefern kann. Darüber hinaus kann der Abstand zwischen den Sauerstoffabscheidungen sehr klein sein. Es wird angenommen, daß diese Eigenschaften eine hohe Linienspannung in der massigen Zone verursachen, die ihrerseits eine Bewegung von Fehlplazierungen am Graben verursachen können, so daß die Fehlplazierungen sich von den aktiven Vorrichtungszonen weg bewegen und an die Sauerstoffabscheidungen angelagert (pinned) werden.
48A zeigt eine Querschnittsansicht von Feldeffekttransistorvorrichtungen, die in Siliziumwafern gemäß den Ausführungsformen nach der Erfindung hergestellt werden können und die bei 800°C für vier Stunden und auf 1000°C für 16 Stunden angelassen bzw. getempert wurden, um die Ausbildung der Sauerstoffabscheidungen zu bewirken. Wie dargestellt ist, ist der aktive Vorrichtungsbereich, der der oberen DZ entspricht, allgemein frei von Sauerstoffabscheidungen, jedoch liegt eine hohe Dichte von Sauerstoffabscheidungen in der massigen Zone benachbart der Vorrichtung vor entsprechend der ersten Spitze des M-gestalteten Profils. 48B veranschaulicht in grafischer Form ein M-gestaltetes Profil von Sauerstoffabscheidungen in einem Wafer von 48A gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
49 veranschaulicht konzeptmäßig die potentielle Bewegung der Gleitung in den STI-Vorrichtungen als ein Ergebnis des Grabenfehlplazierungspinnings gemäß den Ausführungsformen nach der vorliegenden Erfindung. Ohne sich auf irgendeine Theorie einer Arbeitsweise festzulegen, bedeutet in 49 das Bezugszeichen F_A eine prozeßinduzierte Spannung, die beispielsweise nach der Verdichtung des Spaltfüllmaterials in dem Graben erzeugt werden kann. F_A kann an der Ecke des Grabens ein Maximum haben, wie dies durch die Simulationsergebnisse der 47A–47C veranschaulicht ist. Auch in 49 ist mit F_int die Wechselwirkungskraft zwischen der Grabenfehlplazierung und den Sauerstoffabscheidungen in der folgenden Weise gegeben:
wobei die Größen in 49 angezeigt sind und wobei ε_O und ε_D die Verformungen (strains) angeben und v das Volumen angibt. Die Fehlplazierungsbewegung, wie sie in 49 veranschaulicht ist, kann in der folgenden Weise erzeugt werden:
worin F_LT der Linienspannungsvektor ist und eine Funktion einer Materialkonstanten G, des Burgess-Vektors B und der Länge L zwischen den Fehlplazierungszentren ist. Wenn somit der Abstand zwischen den Sauerstoffabscheidungen abnimmt, nimmt die Größe der Linienspannung F_LT zu. Dies kann eine Fehlplazierungsbewegung in dem Fehlplazierungspinningzustand verursachen, wobei gilt F_A ≤ F_LT + F_int, so daß bei einem Gleichgewichtszustand gilt
Wenn somit L abnimmt, nimmt
zu. Man kann daraus schließen, ohne sich auf irgendeine Theorie der Arbeitsweise festzulegen, daß eine hohe Dichte von kleinen Sauerstoffabscheidungen zu bewirken scheint, daß L abnimmt und F_LT zunimmt, so daß gilt F_A ≤ F_LT + F_int, um dadurch ein Fehlplazierungspinning zu verursachen.
Es kann schwierig sein, das Fehlplazierungspinning direkt zu beobachten. Es kann jedoch das Fehlplazierungspinning durch Vergleichen von Vorrichtung identifiziert werden, wie beispielsweise von 128 MB Dynamic-Random-Access-Speichervorrichtungen (DRAM) mit einer STI-Struktur, die so hergestellt sind, daß sie das Profil von 4 enthalten. 50 veranschaulicht in grafischer Form eine Anzahl von fehlgeschlagenen Bits gegenüber einer Auffrischzeit für Wafer, die ein M-gestaltetes Sauerstoffabscheidungskonzentrationsprofil gemäß den Ausführungsformen nach der Erfindung besitzen (die untere Kurve von 50), und bei Wafern, die ein konstantes Sauerstoffabscheidungskonzentrationsprofil besitzen (die obere Kurve von 50). Wie in 50 gezeigt ist, liegt für eine gegebene Auffrischzeit die Zahl der fehlgeschlagenen Bits niedriger bei Verwendung von Wafern, die das M-gestaltete Sauerstoffabscheidungskonzentrationsprofil gemäß den Ausführungsformen nach der Erfindung besitzen (unter Kurve von 50), verglichen mit den Wafer, die ein konstantes Sauerstoffabscheidungskonzentrationsprofil (obere Kurve von 50) besitzen. Ohne sich auf eine Theorie der Wirkungsweise festzulegen, kann angenommen werden, daß das M-gestaltete Profil gemäß den Ausführungsformen der Erfindung ein Fehlplazierungspinning in dem aktiven Vorrichtungsbereich erzeugt. Wie Fachleuten gut bekannt ist, können Fehlplazierungen (dislocations) in dem aktiven Vorrichtungsbereich Elektronen darin einfangen, wodurch die Wiederauffrischzeit der Vorrichtung reduziert werden kann und/oder eine größere Anzahl von Bitausfällen bei einer gegebenen Wiederauffrischzeit reduziert werden kann. Es scheint somit, daß 50 einen Nachweis dafür liefert, daß das Versetzungs- oder Verschiebungspinning unter Verwendung der M-gestalteten Profile der Sauerstoffabscheidungskonzentration gemäß den Ausführungsformen nach der Erfindung erzeugt wird.
Wie ebenfalls weiter oben beschrieben wurde, können Siliziumwafer, die gemäß den Ausführungsformen nach der Erfindung hergestellt wurden, die SiO₂-Sublimation an der RTA-Kammer reduzieren und in bevorzugter Weise beseitigen. 51 ist eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen RTA-Systems 510 mit einer Quarzkammer 512 und einer Anordnung von RTA-Heizquellen 514. Ein Wafer 516 ist in der Kammer 512 gezeigt und wird durch Abstützfüße 518 abgestützt. Der Wafer enthält allgemein eine natürliche Oxidschicht 520 auf demselben.
Es wurde festgestellt, daß dann, wenn der RTA-Prozeß bei Temperaturen oberhalb von etwa 1200°C durchgeführt wird, das natürliche Oxid und/oder andere Siliziumoxide, die vorhanden sind, von dem Wafer verdampfen können und sich an der Quarzkammer 512 niederschlagen können. Diese Erscheinung wird als ”SiO₂-Sublimation” bezeichnet. Wenn das SiO₂ an den Kammerwänden niedergeschlagen wird, so kann dies zu einer Verminderung des Wirkungsgrades der Kammer und/oder der Zuverlässigkeit des Prozesses führen, was die Produktionsquote und/oder Qualität der Wafer vermindern kann.
Wenn im scharfen Gegensatz dazu gemäß den Ausführungsformen nach der Erfindung das RTA-Tempern bei einer Temperatur zwischen etwa 1100°C und etwa 1120°C oder bei etwa 1120°C, durchgeführt wird, findet nur eine geringe oder überhaupt keine SiO₂-Sublimation statt. Es wurde in der Tat herausgefunden, daß Wafer für bis zu 6 Monaten oder noch länger in einem RTA-System 512 verarbeitet werden können, ohne daß dabei ein Bedarf nach Reinigung oder einem Ersatz der Kammer 512 entsteht.
52 zeigt eine schematische Ansicht einer modifizierten CZ-Ziehvorrichtung, und 53 veranschaulicht Einzelheiten der modifizierten Teile der CZ-Ziehvorrichtung von 52. Es sei erwähnt, dass diese modifizierte CZ-Ziehvorrichtung selbst nicht Teil der beanspruchten Erfindung ist, aber einem besseren Verständnis derselben dient. In den 52 und 53 bezeichnen gleiche Bezugszeichen, die in den 28 bis 30 verwendet sind, gleiche Elemente und es werden lediglich die Unterschiede gegenüber der CZ-Ziehvorrichtung der 28-30 weiter unten beschrieben.
Wie in den 52 und 53 gezeigt ist, enthält der Wärmeschildgehäuseboden einen ersten Abschnitt 320a benachbart der inneren Wärmeschildgehäusewand 310, der von der inneren Wärmeschildgehäusewand 310 zu der äußeren Wärmeschildgehäusewand 330 schräg nach unten abfallend verläuft. Ein zweiter Abschnitt 320b ist ebenfalls benachbart der äußeren Wärmeschildgehäusewand 330 enthalten und verläuft von der äußeren Wärmeschildgehäusewand 330 schräg abfallend zu der inneren Wärmeschildgehäusewand 320 hin, beispielsweise in einem Winkel γ, wie dies in 53 veranschaulicht ist. Bei anderer Betrachtungsweise kann der zweite Abschnitt 320b des Wärmeschildgehäusebodens so betrachtet werden, daß eine Nut oder Kerbe in dem Wärmeschildgehäuse an einer Schnittstelle zwischen der äußeren Wärmeschildgehäusewand 330 und dem Wärmeschildgehäuseboden 320 vorhanden ist.
Die CZ-Ziehvorrichtungen der 52 und 53 können einen oder mehrere der folgenden Vorteile bieten. Erstens kann der Abstand d zwischen der Blockoberfläche 228 und der inneren Wärmeschildgehäusewand 310 reduziert werden, um dadurch eine einheitlichere Wärmeverteilung in dem Block zuzulassen. Darüber hinaus kann die Geschwindigkeit des Argongases an dem Bereich der Kerbe 320b reduziert werden, wodurch eine Temperaturgleichmäßigkeit der Oberfläche des Blocks 228 erhöht wird. Ferner kann die Kerbe eine Turbulenz in dem Argongas reduzieren. Als ein Ergebnis von einem oder mehreren dieser und/oder anderer Faktoren wird eine verbesserte Qualität der Siliziumblöcke erreicht.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Siliziumwafers, wonach: ein schneller thermischer Anlassprozess (RTA) an einem Siliziumwafer mit einer oberen Oberfläche und einer Bodenfläche in einer Atmosphäre einer Gasmischung durchgeführt wird, die ein Gas enthält, welches eine Gitterloch-Injektionswirkung besitzt, und ein Gas enthält, welches eine Zwischengitterplatz-Silizium-Injektionswirkung an der oberen Oberfläche und der Bodenfläche des Siliziumwafers besitzt, und wobei der Prozess zwischen etwa 1100°C und etwa 1120°C durchgeführt wird, um Keimbildungszentren zu erzeugen, die als Sauerstoffabscheidungs-Wachstums-Stellen während der nachfolgenden Wärmebehandlung dienen und zwar in einem Keimzentrums-Konzentrationsprofil von der oberen Oberfläche zur Bodenfläche des Wafers hin, wobei das Keimzentrums-Konzentrationsprofil folgendes aufweist: eine erste und eine zweite Spitze in einer ersten und einer zweiten vorbestimmten Tiefe jeweils von der oberen Oberfläche und der Bodenfläche des Wafers aus; eine Zone mit einer vorbestimmten Keimzentrumskonzentration, die niedriger liegt als eine kritische Konzentration und zwar zwischen der oberen Oberfläche des Wafers und der ersten Spitze und zwischen der Bodenfläche des Wafers und der zweiten Spitze; und eine konkave Zone zwischen der ersten und der zweiten Spitze, wobei die Gasmischung Ammoniakgas (NH₃) und Argongas (Ar) enthält, und der Schritt der Durchführung des schnellen thermischen Anlassprozesses für wenigstens etwa 5 Sekunden durchgeführt wird; der Schritt der Durchführung des schnellen thermischen Anlassprozesses ein schnelles oder plötzliches Abkühlen des Wafers mit einer Rate von wenigstens etwa 10°C/s umfasst, der Schritt der Durchführung eines schnellen thermischen Anlassprozesses ein plötzliches Erhitzen des Wafers mit einer Rate von etwa 50°C/s umfasst das Verfahren ferner eine nachfolgende Wärmebehandlung des Siliziumwafers aufweist, um ein Sauerstoffabscheidungs-Konzentrationsprofil von der oberen Oberfläche zur Bodenfläche des Wafers hin zu erzeugen, wobei das Sauerstoffabscheidungs-Konzentrationsprofil folgendes umfasst: eine erste und eine zweite Spitze in einer ersten und einer zweiten vorbestimmten Tiefe jeweils von der oberen Oberfläche und der Bodenfläche des Wafers aus; eine denudierte Zone (DZ) zwischen der oberen Oberfläche des Wafers und der ersten Spitze und zwischen der Bodenfläche des Wafers und der zweiten Spitze; und eine konkave Zone zwischen der ersten und der zweiten Spitze, wobei der Schritt der Durchführung einer nachfolgenden Wärmebehandlung des Siliziumwafers zwischen etwa 800°C und etwa 1000°C für etwa vier bis zwanzig Stunden durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt der Durchführung des schnellen thermischen Anlassprozesses auch ein Gitterloch-Konzentrationsprofil von der oberen Oberfläche zur Bodenfläche des Wafers hin erzeugt, wobei das Gitterloch-Konzentrationsprofil folgendes aufweist: eine erste und eine zweite Spitze in einer ersten und einer zweiten vorbestimmten Tiefe jeweils von der oberen Oberfläche und der Bodenfläche des Wafers aus; eine Zone mit einer vorbestimmten Gitterloch-Konzentration, die niedriger liegt als eine kritische Konzentration, und zwar zwischen der oberen Oberfläche des Wafers und der ersten Spitze und zwischen der Bodenfläche des Wafers und der zweiten Spitze; und eine konkave Zone zwischen der ersten und der zweiten Spitze.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt der Durchführung eines schnellen thermischen Anlassprozesses während eines Donor-Beseitigungsschrittes eines Waferherstellungsprozesses für den Siliziumwafer durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem dem Durchführungsschritt folgendes vorausgeschickt wird: Ziehen eines Blocks aus einem geschmolzenen Silizium in einem Heißzonenofen gemäß einem Blockziehrateprofil, bei dem die Ziehrate des Blocks ausreichend hoch liegt, so dass die Ausbildung von Zwischengitterplatz-Agglomeraten verhindert wird, jedoch ausreichend niedrig liegt, so dass die Ausbildung von Gitterloch-Agglomeraten verhindert wird; und Bilden von Scheiben des Blocks in einer radialen Richtung, um den Siliziumwafer zu schaffen.
Siliziumwafer hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die denudierte Zone zwischen der Bodenfläche des Wafers und der zweiten Spitze wenigstens eine Zone einer Gleitungsversetzung (slip dislocation) enthält; und die denudierte Zone zwischen der oberen Oberfläche des Wafers und der ersten Spitze von der Gleitungsversetzung frei ist.
Siliziumwafer nach Anspruch 5, bei dem das Sauerstoff-Ablagerungs-Konzentrationsprofil in Bezug auf eine zentrale Fläche des Siliziumwafers symmetrisch ist, welche Fläche zwischen der oberen Oberfläche und der Bodenfläche zentral gelegen ist.
Siliziumwafer nach Anspruch 5, bei dem die Tiefe der denudierten Zonen in dem Bereich von etwa 5 μm bis 40 μm von der oberen Oberfläche und der Bodenfläche des Siliziumwafers aus gelegen ist.
Siliziumwafer nach Anspruch 7, bei dem die Tiefe der denudierten Zonen etwa 30 μm von der oberen Fläche von beiden Flächen des Siliziumwafers beträgt.
Siliziumwafer nach Anspruch 5, bei dem die Sauerstoff-Ablagerungskonzentrationen an der ersten und der zweiten Spitze wenigstens etwa 1 × 10⁹ cm^–3 betragen.
Siliziumwafer nach Anspruch 5, bei dem die Sauerstoff-Ablagerungskonzentration in der konkaven Zone zwischen der ersten und der zweiten Spitze wenigstens etwa 1 × 10⁸ cm^–3 beträgt.
Siliziumwafer nach Anspruch 5, bei dem die Abscheidungen mit kristallinem Ursprung (COPs) in dem Wafer lediglich in der konkaven Zone zwischen der ersten und der zweiten Spitze vorhanden sind.
Siliziumwafer nach Anspruch 5, ferner mit einer Vielzahl von Seichtgraben-Isolationszonen (STI) in der denudierten Zone zwischen der oberen Oberfläche des Wafers und der ersten Spitze und mit einem STI Auslauf (slip), der verglichen mit den gleichen STI Zonen in einem Siliziumwafer reduziert ist, der kein Sauerstoffabscheidungs-Konzentrationsprofil enthält.
Siliziumwafer nach Anspruch 5, ferner mit einer Vielzahl von Seichtgraben-Isolationszonen (STI) in der denudierten Zone zwischen der oberen Oberfläche des Wafers und der ersten Spitze, die frei sind von einem STI Auslauf (slip).
Siliziumwafer nach Anspruch 5, bei dem eine niedrigste Sauerstoffabscheidungs-Konzentration in der konkaven Zone um wenigstens eine Größenordnung niedriger liegt als eine höchste Sauerstoffabscheidungs-Konzentration an der ersten und der zweiten Spitze.