DE69630328T2

DE69630328T2 - Präziser kontrollierter Niederschlag von Sauerstoff in Silizium

Info

Publication number: DE69630328T2
Application number: DE69630328T
Authority: DE
Inventors: Robert P.O. Box 8 Falster
Original assignee: SunEdison Inc
Current assignee: SunEdison Inc
Priority date: 1995-03-14
Filing date: 1996-03-08
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2016-03-09
Also published as: KR960035771A; MY115003A; JPH08253392A; CN1136604A; EP0732431A1; TW344850B; CN1061705C; US5593494A; EP0732431B1; DE69630328D1; SG43246A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von einkristallinem Siliziumsubstraten allgemein, und ganz besonders ein Verfahren zur Herstellung von einkristallinen Siliziumwafern mit Sauerstoffpräzipitat-Keimbildungszentren, welche stabilisiert werden können und als Stelle für das Wachstum von Sauerstoffpräzipitaten dienen, wobei die Zahl der Sauerstoffpräzipitate wenig von der Sauerstoffkonzentration des einkristallinen Siliziums abhängt.
Einkristallines Silizium, welches das Ausgangsmaterial für die meisten Verfahren zur Herstellung von elektronischen Halbleiterkomponenten ist, wird üblicherweise nach dem sogenannten Czochralski (Cz")-Verfahren hergestellt, bei dem ein einzelner Kristallkeim in geschmolzenes Silizium eingetaucht und durch langsames Herausziehen gezüchtet wird. Bei der Temperatur der geschmolzenen Siliziummasse wandert Sauerstoff aus dem Quarztiegel, in dem sich diese befindet, in das Kristallgitter bis er eine Konzentration erreicht ist, die von der Löslichkeit von Sauerstoff in Silizium bei der Temperatur der Schmelze und dem realen Segregationskoeffizienten von Sauerstoff in verfestigtem Silizium bestimmt wird. Solche Konzentrationen sind größer als die Löslichkeit von Sauerstoff in festem Silizium bei Temperaturen, wie sie bei Verfahren zur Herstellung integrierter Schaltkreise typisch sind. So wie der Kristall aus der geschmolzenen Masse heraus wächst und sich abkühlt, nimmt daher die Sauerstofflöslichkeit darin rasch ab, wobei in den resultierenden Scheiben oder Wafern Sauerstoff in übersättigten Konzentrationen vorliegt.
Wärmebehandlungszyklen, wie sie typischerweise bei der Herstellung von elektronischen Vorrichtungen eingesetzt werden, können die Präzipitation von Sauerstoff in Silizium verursachen, welche mit Sauerstoff übersättigt sind. Je nach ihrer Lage im Wafer können die Präzipitate schädlich oder vorteilhaft sein. Sauerstoffpräzipitate, die sich im Aktivitätsbereich der Vorrichtung des Wafers befinden, können den Betrieb der Vorrichtung beeinträchtigen. Sauerstoffpräzipitate im Innern des Wafers können jedoch unerwünschte Metallverunreinigungen einfangen, die mit dem Wafer in Berührung kommen können. Die Verwendung von im Innern des Wafers befindlichen Sauerstoffpräzipitaten zum Einfangen von Metall wird üblicherweise als interne oder intrinsic Getterung („IG") bezeichnet.
Wegen der Probleme, die mit Sauerstoffpräzipitaten um Aktivitätsbereich der Vorrichtung verbunden sind, müssen die Hersteller von elektronischen Bauteilen Siliziumwafer verwenden, die unter ihren Verfahrensbedingungen keine Sauerstoffpräzipitate irgendwo im Wafer bilden können, oder alternativ Wafer verwenden, die unter ihren Verfahrensbedingungen nur im Innern des Wafers Sauerstoffpräzipitate bilden können. Viele Hersteller von elektronischen Bauteilen bevorzugen im Hinblick auf die Vorteile des IG die letztere Alternative.
Im Allgemeinen schließt das Verfahren zur Herstellung elektronischer Vorrichtungen schon an sich eine Reihe von Schritten ein, die grundsätzlich dazu verwendet werden können nahe der Waferoberfläche eine Zone zu bilden, die frei von Sauerstoffpräzipitaten ist (üblicher weise als „Denudiationszone" oder „präzipitatfreie Zone" bezeichnet), wobei der Wafer im Gleichgewicht eine ausreichende Zahl von Sauerstoffpräzipitaten für IG-Zwecke enthält. Denudiationszonen können zum Beispiel in einer Hoch-Tief-Hoch-Temperaturfolge gebildet werden, wie (a) Wärmebehandlung zur Sauerstoffausdiffusion bei hoher Temperatur (>1100°C) in einer inerten Umgebung während eines Zeitraums von mindestens 4 Stunden, (b) Sauerstoffpräzipitat-Keimbildung bei niedriger Temperatur (600–750°C), und (c) Wachstum von Sauerstoffpräzipitaten (SiO₂) bei hoher Temperatur (1000–1150°C). Vgl. z. B. F. Shimura, Semiconductor Silicon Crystal Technology, Academic Press, Inc., San Diego, Kalifornien (1989), S. 361–357, und die hierin zitierten Literaturstellen.
Ein kritische Anforderung ist für viele Hersteller elektronischer Vorrichtungen, dass alle Wafer, die ihrer Wärmesequenz unterworfen werden, eine einheitliche und reproduzierbare Denudiationszone und eine einheitliche und reproduzierbare Dichte von Sauerstoffpräzipitaten außerhalb der Denudiationszone aufweisen. Einheitlichkeit und Reproduzierbarkeit sind jedoch mit vernünftigen Kosten schwierig zu erzielen. Es gibt verschiedene Einflussgrößen, welche die Dichte der Oxidpräzipitate, die sich in einem Siliziumwafer bei einem gegebenen IC-Verfahren bilden, beeinflussen, einschließend: (1) die Konzentration von eingelagertem Sauerstoff, (2) die Dichte der bereits (vor dem IC-Herstellungsverfahren) vorhandenen Sauerstoffcluster, die als Keimbildungsstellen für die Präzipitation von übersättigtem Sauerstoff wirken, (3) die Stabilität dieser bereits vorhandenen Cluster bei höheren Temperaturen, und (4) die Einzelheiten der zur Herstellung der elektronischen Vorrichtung verwendeten Wärmezyklen. Diese Parameter können von einem Wafer zum nächsten beträchtlich schwanken.
Ein Weg, der versucht wurde, den Konzentrationsbereich für die während des IC-Produktionsverfahrens gebildeten Sauerstoffpräzipitate zu steuern besteht darin, den Sauerstoffkonzentrationsbereich für den Wafer einzuengen. Viele IC-Herstellern fordern zum Beispiel, dass der Sauerstofflconzentrationsbereich innerhalb von 1 ppm eines Sollwerts oder weniger liegt. Dieser Weg stößt jedoch an die Grenzen der technologischen Möglichkeit, vermindert die Flexibilität der Kristallzüchter bei der Kontrolle anderer Parameter und erhöht die Kosten. Noch schlechter ist, dass die Verengung der Sauerstoffkonzentrationsspezifikationen keinen Erfolg gewährleistet; Die thermische Vorgeschichte der Siliziumwafer kann eine tiefgreifende Wirkung auf das Sauerstoffpräzipitationsverhalten haben. Folglich können Wafer mit den gleichen Sauerstofflconzentrationen aber unterschiedlichen thermischen Vorgeschichten beträchtlich unterschiedliche Präzipitatdichten aufweisen.
Im Hinblick darauf, dass die Verengung der Sauerstoffkonzentrationsspezifikationen allein zu keinem engen Bereich der Sauerstoffpräzipitatdichten führt, haben einige versucht, Wafer anhand der Sauerstoffkonzentration oder anderer Kriterien, aus welchen Werten Sauerstoffpräzipitationswerte vorhergesagt werden können, auszusortieren. Vgl. zum Beispiel Miller, US-A 4,809,196. Die Einheitlichkeit von Wafer zu Wafer im Hinblick auf die Sauerstoffpräzipitation wird durch diesen Ansatz verbessert, die Flexibilität wird jedoch beträchtlich beeinträchtigt und die Kosten werden erhöht.
Bischoff et al. schlagen in US-A 4,437,922 ein Verfahren zur Bildung von Wafern mit einer breiten Denudiationszone (≥15 μm) mit einer hohen Präzipitatdichte (>10¹²/cm³) vor. Bei ihrem Verfahren wird die Denudiationszone zuerst durch vier Stunden Tempern der Wafer bei 1100°C g gebildet. Bischoff et al. schlagen vor, dass die Wafer nach Bildung der Denudiationszone bei einer Temperatur im Bereich von 400° bis 500°C getempert werden, um die Keimbildung für eine hohe Dichte sehr kleiner Präzipitate herbeizuführen und sie bis zu einer solchen Größe zu züchten, dass sie eine nachfolgende Wärmebehandlung, wie bei 925°C, zulassen. Bischoff et al. schlagen das Erhitzen der Wafer mit einer Geschwindigkeit von 2°C pro Minute auf eine Temperatur zwischen 750°C und 1000°C während eines Zeitraum vor, der ausreicht, das Überleben der Präzipitate bei der anschließenden Verarbeitung sicherzustellen.
Ein beträchtlicher Nachteil des Verfahrens von Bischoff et al. ist seine Schwäche, die Hochtemperaturschritte, die routinemäßig bei der Herstellung elektronischer Vorrichtungen eingesetzt werden, nicht zu nutzen. Diese Schritte könnten dazu benutzt werden, die Denudiationszone zu bilden und die Sauerstoffpräzipitate im Wafer im Gleichgewicht zu stabilisieren, vorausgesetzt, das Präzipitationsverhalten wäre auf das Herstellungsverfahren einer speziellen elektronischen Vorrichtung ausgelegt. Die bei Bischoff et al. erforderlichen zusätzlichen Schritte schlagen auf die Wafer beträchtliche Arbeit und Kosten auf. Weiterhin legen Bischoff et al, nirgends irgendwelche Methoden zur Steuerung der numerischen Dichte der Sauerstoffpräzipitate offen; Bischoff et al. geben lediglich an, wie man durchweg eine hohe Dichte (>10¹²/cm³) erhalten kann, die für viele Anwendungen nicht geeignet sein kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Unter den erfindungsgemäßen Gegenständen ist daher die Bereitstellung eines Verfahrens zur Bereitstellung von Sätzen von einkristallinen Siliziumwafern, die ohne Rücksicht auf die Sortierung nach der Sauerstoffkonzentration oder der thermischen Vorgeschichte zusammengestellt worden sind, und die als Gruppe ein hohes einheitliches Präzipitationsverhalten zeigen; die Bereitstellung eines solchen Verfahrens, in dem die resultierenden Wafer eine im Wesentlichen einheitliche Verteilung von Sauerstoffclustern aufweisen, die anschließend an die Behandlung unter Bildung von Denudiationszonen im Bereich nahe der Oberfläche des Wafers gelöst und stabilisiert werden können und als Stelle für das Wachstum von Sauerstoffpräzipitaten in Bereichen außerhalb der Denudiationszone dienen; und die Bereitstellung eines solchen Verfahrens bei dem die Abhängigkeit der wirksamen Sauerstoffkonzentration von der Sauerstoffpräzipitation in einkristallinem Silizium vermindert ist.
Kurz zusammengefasst, ist die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Steuerung der Dichte von Sauerstoffpräzipitat-Keimbildungzentren in einkristallinem Silizium gerichtet, wie in Anspruch 1 angegeben. Das Verfahren umfasst das Tempern des einkristallinen Siliziums bei einer Temperatur von mindestens etwa 350°C. Das Tempern umfasst (i) die Wärmebehandlung des einkristallinen Siliziums bei einer Temperatur, T₁, zwischen etwa 350°C und etwa 500°C zum Formen von Sauerstoffpräzipitat-Keimbildungszentren im einkristalline Silizium und (ü) das Erhöhen der Temperatur des einkristallinen Siliziums von T₁ auf eine zweite Temperatur, T₂, zwischen etwa 500°C und etwa 750°C. Die Geschwindigkeit der Temperaturerhöhung von T₁ nach T₂ wird so gesteuert, dass das einkristalline Silizium nach Erreichen von T₂ bei T₁ gebildete Sauerstoffpräzipitat-Keimbildungsclustern enthält. Das Tempern wird zu einem Zeitpunkt beendet, zu dem sich die Sauerstoffpräzipitat-Keimbilungszentren durch Wärmebehandlung des Siliziums bei einer Temperatur von nicht höher als 1150°C lösen können.
Die mittlere Geschwindigkeit der Temperaturerhöhung von T₁ nach T₂ wird vorzugsweise so gesteuert, dass das einkristalline Silizium bei einer intermediären Temperatur, T_int, zwischen T₁ und T₂, eine Population von Sauerstoffpräzipitat-Keimbildungsclustern enthält, von denen mindestens einige bei einer Temperatur vorhanden waren, die kleiner als T_int, jedoch gößer als T₁ ist, und die über die Aufnahme von Sauerstoffatomen ihre Größe gesteigert haben, als die Temperatur auf T_int erhöht wurde.
Die vorliegende Erfindung ist weiterhin auf ein Verfahren zur Steuerung der Konzentration von Sauerstoffpräzipitat-Keimbildungszentren in einem Satz von mindestens 25 einkristallinen Siliziumwafern gerichtet. Jeder Wafer im Satz weist eine Sauerstofflkonzentration von mindestens 5 × 10¹⁶ Atome/cm³ auf. Die Wafer weisen auch eine Sauerstoffkonzentration auf, die in den Bereich der Sauerstoffkonzentration für den Satz fällt, deren Unterschied zwischen der maximalen und minimalen Konzentration dieser Sauerstoffkonzentration für die Wafer im Satz mindestens 5 × 10¹⁶ Atome/cm³ beträgt. Das Verfahren umfasst die Schritte (a) Erwärmen (oder Kühlen) des einkristallinen Siliziums um eine erste Temperatur, T₁, zu erhalten, die zwischen etwa 350°C und etwa 500°C liegt. Die Temperatur wird dann mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von weniger als 25°C pro Minute von T₁ auf eine zweite Temperatur, T₂, die zwischen etwa 500°C und etwa 750°C liegt, gesteigert. Die Temperaturzunahme von T₁ auf T₂ wird zusätzlich so gesteuert, das die Wafer im Satz nach dem Unterwerfen unter eine Wärmebehandlung zur Sauerstoffpräzipitation das Verhältnis der maximalen Dichte zur minimalen Dichte der Sauerstoffpräzipitate für die Wafer im Satz nicht mehr als etwa 30 beträgt.
Die vorliegende Erfindung ist gemäß Anspruch 7 weiterhin auf einen Satz von einkristallinen Siliziumwafern gerichtet, von denen jeder eine im Wesentlichen einheitliche Sauerstoffkonzentration bei Abständen von über 5 um von der Oberfläche des Wafers aufweist. Zusätzlich beträgt der Unterschied zwischen der maximalen und minimalen Konzentration dieser Sauerstofflkonzentration für die Wafer im Satz mindestens 5 × 10¹⁶ Atome/cm³. Die Wafer enthalten zusätzlich Sauerstoffpräzipitat-Keimbildungszentren in einer Dichte, dass beim Unterwerfen unter eine Wärmebehandlung zur Sauerstoffpräzipitation jeder Wafer im Satz eine Dichte an Sauerstoffpräzipitaten aufweist, wobei das Verhältnis der maximalen Dichte zur minimalen Dichte der Sauerstoffpräzipitate im Satz nicht mehr als 50 beträgt.
Andere Gegenstände und Merkmale dieser Erfindung werden zum Teil offensichtlich und zum Teilen besonders erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Diagramm des Logarithmus der Sauerstoffpräzititatdichte („OPD")/cm³ gegen die Sauerstoffanfangskonzentration für zwei Sätze von Wafern, die einer Reihe von Wärmebehandlungen ausgesetzt wurden, wie in Beispiel 1 angegeben.
2 ist ein Diagramm des Logarithmus der Sauerstoffpräzititatdichte („OPD")/cm³ gegen die Sauerstoffanfangskonzentration für zwei Sätze von Wafern, von denen einer der isothermen Temperung unterworfen wurde und der andere einer schrittweisen Temperung unterworfen wurde, wie in Beispiel 1 angegeben.
3 ist ein Diagramm der Änderung der Sauerstoffkonzentration („Delta Sauerstoff")/cm³ gegen den Logarithmus der Sauerstoffanfangskonzentration (Atome/cm³) für einen Satz von Wafern, der einer schrittweisen Temperung unterworfen wurde sowie eine Kurve, welche zeigt, wie die Abhängigkeit gewesen wäre, wenn die Wafer isotherm getempert worden wären, anstatt gemäß Beispiel 2.
4 ist ein Diagramm, das 3 und die in Beispiel 2 gewonnen Wertein in unterschiedlicher Form wiedergibt, wie in Beispiel 3 beschrieben.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Es wurde überraschenderweise ein Verfahren zur Herstellung von einkristallinem Silizium mit einer beliebigen Sauerstoffpräzipitat-Solldichte innerhalb eines weiten Bereichs von Sauerstoffpräzititatdichten aus Silizium mit einem beliebigen breiten Sauerstoffkonzentrationsbereichs gefunden. Im Allgemeinen darf die Präzipitat-Solldichte irgendwo innerhalb des Bereichs von etwa 10⁷ bis etwa 10¹ ¹ Präzipitate/cm³ und die Sauerstoffkonzentration des Siliziums, bei der dieser Sollwert erreicht wird, irgendwo in den Bereich von etwa 6 × 10¹⁷ bis etwa 8,5 × lO¹⁷Atome /cm³ (ASTM Standard F-121-83) fallen, d. h. in den Sauerstofikonzentrationsbereich, der für Cz-gezüchtetes Silizium typisch ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist darauf ausgelegt, die Hochtemperaturschritte zu nutzen, die routinemäßig bei der Herstellung elektronischer Vorrichtungen verwendet werden. Einkristallines Silizium, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist, enthält Sauerstoffpräzipitat-Keimbildungszentren, die nur wenig von der Sauerstoffkonzentration abhängen. Wird das Silizium solchen Hochtemperaturschritten unterworfen, lösen sich die Sauerstoffpräzipitat-Keimbildungszentren in einem Bereich nahe der Oberfläche des Silizium auf, um eine Denudiationszone zu bilden, wohingegen die Sauerstoffpräzipitat-Keimbildungszentren im Kern des Siliziums stabilisiert werden und zu Sauerstoffpräzipitaten wachsen, wobei deren numerische Dichte innerhalb eines engen Bereichs um eine Solldichte liegt.
In Überreinstimmung mit den erfindungsgemäßen Verfahren wird ein einkristallines Siliziumausgangsmaterial einer Glühbehandlung unterzogen, die hierin als schrittweises Tempern bezeichnet wird. Bei dieser schrittweisen Temperungsfolge wird der Siliziumeinkristall auf eine erste Temperatur, T₁, erwärmt und die Temperatur des Siliziums dann auf eines zweite Temperatur, T₂, erhöht, wobei des Geschwindigkeit der Temperaturerhöhung zwischen T₁ und T₂ gesteuert wird, um Sauerstoffpräzipitat-Keimbildungszentren zu erhalten und zu züchten, die während dieses Verfahrens im einkristallinen Silizium gebildet wurden. Die erste Temperatur liegt zwischen etwa 350°C und etwa 500°C, vorzugsweise zwischen etwa 375°C und etwa 475°C, und am stärksten bevorzugt zwischen etwa 400°C und etwa 450°C. Die zweite Temperatur, T2, liegt zwischen etwa 500°C und etwa 750°C, vorzugsweise zwischen etwa 575°C und etwa 725°C, stärker bevorzugt zwischen etwa 600°C und etwa 700°C, und am stärksten bevorzugt zwischen etwa 600°C und etwa 650°C.
Die mittlere Geschwindigkeit, mit der die Temperatur des Siliziums zwischen T₁ und T₂ erhöht wird, wird in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration des Siliziums schwanken, typischerweise jedoch zwischen etwa 0,1°C und etwa 25°C pro Minute liegen. Im Allgemeinen nimmt die Geschwindigkeit der Temperaturerhöhung mit abnehmender Sauerstoffkonzentration ab und folglich kann die mittlere Geschwindigkeit der Temperaturerhöhung weniger als 10°C pro Minute, 5°C pro Minute oder sogar weniger als 1°C pro Minute für Silizium mit weniger als etwas 7,2 × 10¹⁷ Sauerstoffatomen/cm³ (bestimmt nach ASTM-Standard F-2121-83) betragen. Die An und Weise, in der die Temperatur in Abhängigkeit von der Zeit erhöht wird, kann für jeden Prozess optimiert werden; das heißt, sie kann linear oder schrittweise in Abhängigkeit von der Zeit und mit unterschiedlicher Geschwindig-keit zwischen den Temperaturen, die zwischen T₁ und T₂ liegen, erhöht werden.
Das Ausgangsmaterial für das Verfahren ist einkristallines Silizium mit einer ausreichenden Sauerstoffkonzentration, um dessen Präzipitation zu ermöglichen, wenn es einer Sauerstoffpräzipitations-Wärmebehandlung unterworfen wird. Wie vorangehend bemerkt, weist Czochralski-gezüchtetes Silizium typischerweise eine Sauerstoffkonzentration von etwa 6 × 10¹⁷ bis etwa 8,5 × 10¹⁷ Atome/cm³ (ASTM-Standard F-121-83) auf, welche für die Präzipitation von Sauerstoff ausreicht.
Sauerstoff kann aus Silizium zum Beispiel abgeschieden werden, indem das Silizium einer Wärmebehandlung unterworfen wird, welche das Tempern des Siliziums bei einer Temperatur im Bereich von etwa 650°C bis etwa 875°C, vorzugsweise zwischen etwa 800°C und 875°C umfasst, um die im Silizium vorliegenden Sauerstoffpräzipitat-Keimbildungs zentren zu stabilisieren, und Tempern des Siliziums bei einer Temperatur von mindestens etwa 1000°C, um Sauerstoff an der Stelle des stabilisierten Keimbildungszentrums zu präzipitieren. Der zur Stabilisierung der Keimbildungszentren erforderliche Zeitbedarf hängt von der Temperatur bei der Wärmebehandlung ab, wobei im Allgemeinen zur Stabilisierung der Keimbildungszentren weniger Zeit gebraucht wird, wenn die Temperatur erhöht wird. Bei einer Temperatur von etwa 650°C sind zum Beispiel mindestens etwa sechs Stunden erforderlich, um die Keimbildungszentren in Silizium mit einer Sauerstoffkonzentration von etwa 7,8 × 10¹⁷ Atome/cm³ zu stabilisieren, wohingegen nur etwa eine halbe Stunde benötigt wird, um die Keimbildungszentren bei einer Temperatur von etwa 800°C zu stabilisieren. Eine bevorzugte Wärmebehandlung, um Sauerstoff zu präzipitieren, umfasst das Erwärmen der Wafer auf 800°C während vier Stunden und anschließend auf 1000°C für sechzehn Stunden.
Das einkristalline Siliziumausgangsmaterial sollte auch eine niedrige Dichte an und Sauerstoffpräzipitat-Keimbildungszentren aufweisen und vorzugsweise im Wesentlichen frei davon sein. Die Anwesenheit (oder Dichte) dieser Keimbildungszentren kann jedoch mithilfe der derzeit verfügbaren Techniken nicht direkt gemessen werden. Wie vorangehend erörtert, können im Silizium bereits vorher vorliegende Sauerstoffpräzipitat-Keimbildungszentren stabilisiert und die Präzipitate an diesen Stellen gezüchtet werden, indem das Silizium einer Sauerstoffpräzipitations-Wärmebehandlung unterworfen wird. Das Vorliegen dieser Keimbildungszentren kann folglich nach einer Sauerstoffpräzipitations-Wärmebehandlung indirekt gemessen werden. Die Nachweisgrenze für Sauerstoffpräzipitate liegt gegenwärtig bei etwa 10⁷ Präzipitate/cm³. Silizium zur Verwendung hierin mit einer niedrigen Dichte an Sauerstoffpräzipitats-Keimbildungzentren, was Silizium bedeuteten soll, das bei einer Temperatur von 800°C während vier Stunden und anschließend bei 1000°C während sechzehn Stunden getempert wurde, weist daher weniger als etwa 10⁸ Sauerstoffpräzipitate/cm³ auf. Ähnlich weist Silizium mit so gut wie keinen Sauerstoffpräzipitations-Keimbildungszentren, was Silizium bedeuten soll, das bei einer Temperatur von 800°C während vier Stunden und anschließend bei einer Temperatur von 1000°C während sechzehn Stunden getempert wurde, weniger als 10⁷ Sauerstoffpräzipitate/cm³ auf. Das Silizium weist vorzugsweise weniger als 5 × 10⁷ Sauerstoffpräzipitate/cm³ auf, und stärker bevorzugt enthält das Silizium weniger als 10⁷ Sauerstoffpräzipitate/cm³.
Sauerstoffpräzipitat-Keimbildungszentren bilden sich typischerweise in Silizium, das bei einer Temperatur im Bereich von etwa 350°C bis 750°C getempert wird. Das einkristalline Siliziumsausgangsmaterials kann daher aus Silizium mit „kurzen" Kristallen stammen, was Silizium bedeutet, das nach dem Czochralski-Verfahren gezüchtet wurde, bis sich das Keimbildungsende vom Schmelzpunkt des Siliziums (1410°C) bis auf etwa 750°C abgekühlt hat, worauf der Block rasch abgekühlt wird. Auf diese Weise wird die Aufenthaltsdauer im für die Bildung von Keimbildungszentren kritischen Temperaturbereich minimiert und die Keimbildungszentren haben keine ausreichende Zeit, sich im Kristallgitter zu bilden.
Alternativ und stärker bevorzugt wird das einkristalline Ausgangsmaterial getempert, um die Sauerstoffpräzipitat-Keimbildungszentren, die während des Wachstums des Einkristalls gebildet wurden, zu lösen. Sauerstoffpräzipitat-Keimbildungszentren können, vorausgesetzt, dass sie keiner stabilisierenden Wärmebehandlung unterworfen worden sind, aus dem Silizium durch rasches Erhitzen des Siliziums auf eine Temperatur von mindestens etwa 875°C und vorzugsweise einer anschließenden Steigerung der Temperatur auf mindestens 1000°C thermisch ausgetrieben werden. Während der Zeit, bis das Silizium 1000°C erreicht, sind im Wesentlichen alle (z. B >99%) solcher Fehlstellen thermisch ausgetrieben worden. Es ist wichtig, dass die Wafer rasch auf diese Temperaturen erwärmt werden, d. h. das die Aufheizrate mindestens etwa 10°C pro Minute, und stärker bevorzugt mindestens etwa 50°C pro Minute beträgt. Andernfalls können einige oder alle Sauerstoffpräzipitat-Keimbildungszentren durch die Wärmebehandlung stabilisiert werden. Der Gleichgewichtszustand scheint innerhalb relativ kurzer Zeitspannen erreicht zu werden, d. h. in der Größenordnung von 1 Minute. Demzufolge können Sauerstoffpräzipitat-Keimbildungszentren im einkristallinen Siliziumausgangsmaterial durch Tempern des Siliziums bei einer Temperatur von mindestens etwa 875°C während einer Zeitspanne von mindestens etwa 30 Sekunden, vorzugsweise mindestens etwa 10 Minuten, gelöst werden. Die Lösung kann in einem herkömmlichen Ofen oder einem thermischen Austreibungssystem (RTA) erfolgen. Zusätzlich kann die Lösung an Kristallblöcken oder an Wafern erfolgen.
Substitutionskohlenstoff der im einkristallinen Silizium als Verunreinigung vorliegt, hat die Fähigkeit die Bildung von Sauerstoffpräzipitat-Keimbildungszentren zu katalysieren. Aus diesem und anderen Gründen ist es daher bevorzugt, dass das einkristalline Siliziumausgangsmaterial eine niedrige Kohlenstoffkonzentration besitzt. Das heißt, das einkristalline Silizium sollte eine Kohlenstofflconzentration aufweisen, die geringer als etwa 5 × 10¹⁶ Atome/cm³, vorzugsweise geringer als 1 × 10¹⁶ Atome/cm³, und stärker bevorzugt geringer als 5 × 10¹⁵ Atome/cm³ ist.
Das einkristalline Silizium sollte vorzugsweise auch eine im Wesentlichen einheitliche Sauerstoffkonzentration als Funktion der Tiefe von der Oberfläche aus aufweisen. Anders als bei früher verwendeten Verfahren zur Steuerung der Präzipitation von Sauerstoff in Silizium ist es unnötig, das einkristalline Silizium einem Hochtemperaturschritt zu unterwerfen, um das Diffundieren von Sauerstoff aus den oberflächennahen Bereichen des Siliziums vor den erfindungsgemäßen schrittweisen Temperungen zu bewirken. Erfolgen solche Hochtemperaturschritte zum alleinigen Zweck der Bildung einer Denudiationszone, erhöhen sie die Kosten für den Siliziumwafer beträchtlich. Es ist deswegen bevorzugt, dass das einkristalline Siliziumausgangsmaterial für die schrittweise Temperung eine einheitliche Sauerstoffkonzentration aufweist, vom Mittelpunkt des Siliziums bis zu Bereichen des Wafers unterhalb von 15 Mikron der Siliziumoberfläche, stärker bevorzugt vom Mittelpunkt des Siliziums bis zu Bereichen des Wafers unterhalb von 10 Mikron von der Siliziumoberfläche, sogar noch stärker bevorzugt vom Mittelpunkt des Siliziums bis zu Bereichen des Wafers unterhalb von 5 Mikron von der Siliziumoberfläche und am meisten bevorzugt vom Mittelpunkt des Siliziums bis zu Bereichen des Wafers unterhalb von 3 Mikron von der Siliziumoberfläche. Im Wesentlichen einheitliche Sauerstoffkonzentration soll in diesem Zusammenhang eine Schwankungsbreite der Sauerstoffkonzentration von nicht mehr als etwa 50%, vorzugsweise nicht mehr als etwa 20% und am stärksten bevorzugt nicht mehr als etwa 10% bedeuten.
Wird einkristallines Siliziumausgangsmaterial mit einer im Wesentlichen einheitlichen Sauerstoffkonzentration der erfindungsgemäßen schrittweisen Temperung unterworfen, wird einkristallines Silizium mit einer entsprechend einheitlichen Dichte an Sauerstoffpräzipitat-Keimbildungzentren erzeugt. Das heißt, nach dem schrittweisen Tempern wird das einkristalline Silizium eine im Wesentlichen einheitliche Dichte an Sauerstoffpräzipitat-Keimbildungszentren aufweisen, vom Mittelpunkt des Siliziums bis zu Bereichen des Wafers unterhalb von 15 Mikron der Siliziumoberfläche, stärker bevorzugt vom Mittelpunkt des Siliziums bis zu Bereichen des Wafers unterhalb von 10 Mikron von der Siliziumoberfläche, sogar noch stärker bevorzugt vom Mittelpunkt des Siliziums bis zu Bereichen des Wafers unterhalb von 5 Mikron von der Siliziumoberfläche und am meisten bevorzugt vom Mittelpunkt des Siliziums bis zu Bereichen des Wafers unterhalb von 3 Mikron von der Siliziumoberfläche. Im Wesentlichen einheitliche Dichte an Sauerstoffpräzipitat-Keimbildungszentren soll in diesem Zusammenhang eine Schwankungsbreite der numerischen Dichte von nicht mehr als um den Faktor 10, vorzugsweise nicht mehr als um den Faktor 5 und am stärksten bevorzugt nicht mehr als um den Faktor 2 bedeuten.
Das erfindungsgemäße schrittweise Temperungsverfahren ist von herkömmlichen isothermen Temperungsverfahren unterscheidbar. Bei einem herkömmlichen Temperungsverfahren wird das einkristalline Silizium auf eine Solltemperatur innerhalb des Bereichs von etwa 500°C bis etwa 650°C erwärmt, bei dieser Solltemperatur während einer Zeitspanne von etwa fünfzehn Minuten bis zu einigen Stunden oder mehr getempert und dann abgekühlt. Während der Periode der Temperung werden Sauerstoffpräzipitat-Keimbildungszentren gebildet. Auf der Grundlage der derzeitigen Erfahrung wird ein Diagramm der Präzipitatdichte gegen die Sauerstoffanfangskonzentration für einen Satz von Wafern, die isotherm getempert wurden, im Großen und Ganzen eine ungefähre Abhängigkeit nach [O_i]ⁿ zeigen, worin n zwischen etwa 25 und 30 ist, vorausgesetzt, die Wafer waren vor dem isothermen Tempern im Wesentlichen frei von Sauerstoffpräzipitat-Keimbildungszentren.
Erfolgt jedoch eine schrittweise Temperung an Stelle einer isothermen Temperung, können die Abhängigkeiten der Sauerstoffpräzipitate von der Sauerstoffkonzentration von einkristallinem Silizium beträchtlich vermindert werden. Das heißt, der Exponent „n" kann auf weniger als 15, vorzugsweise auf weniger als 20, stärker bevorzugt auf weniger als 15 und im günstigsten Fall auf weniger als 10 reduziert werden.
Ohne Bindung an irgendeine Theorie wird angenommen, dass der Unterschied zwischen dem schrittweisen Tempern und dem isothermen Tempern auf der Grundlage des Einflusses der Konzentration und der Temperatur auf die Sauerstoffpräzipitation erklärt werden kann. Im Allgemeinen wird, je mehr gelöste Atome an einem Cluster spezieller Größe beteiligt sind, die Abhängigkeit von der Konzentration des Gelösten auf die Wahrscheinlichkeit seiner Bildung umso größer werden. Die Keimbildungsgeschwindigkeit für einen solchen Cluster folgt bei jeder beliebigen Temperatur nach erster Ordnung [O_i]^x, worin x die Anzahl der Atome im Cluster ist. Auch bedarf es zur Bildung größerer Cluster mehr Zeit als für die kleinerer und die Zeit für die Bildung großer Cluster nimmt mit sinkender Temperatur dramatisch zu. Kombiniert man diese Beobachtungen über die Sauerstoffabhängigkeit kleiner Cluster und die Zeitabhängigkeit der Bildung großer Cluster bei niedrigen Temperaturen, liegt die Vermutung nahe, dass bei niedrigen Temperaturen die Population von Sauerstoffclustern vollkommen von Clustern der niedrigsten Ordnung beherrscht wird, von Clustern, die bei relativ geringer Abhängigkeit von der im Kristall vorliegenden Sauerstoffkonzentration gebildet worden sind. Einige oder alle Cluster dieses Typs können als „thermische Donatoren" betrachtet werden.
Das erfindungsgemäße schrittweise Tempern geht von einer relativ niedrigen ersten Temperatur, T₁, aus, darauf ausgelegt, nur sehr kleine Cluster zu erzeugen, das heißt, Cluster, die sich bei einer relativ geringen Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration bilden. Die größeren Cluster, welche für die Keimbildung der Oxidpräzipitation notwendig sind, bilden sich während die Temperatur langsam schrittweise erhöht wird. Größere Cluster wachsen, indem sie sich vorzugsweise auf bereits vorhandenen kleineren Clustern bilden, die bei relativ geringer Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration gebildet wurden. Wird der Bildung einer ausreichenden Menge von Clustern sehr niedriger Ordnung eine ausreichende Zeit eingeräumt und erfolgt die schrittweise Temperaturerhöhung genügend langsam, um eine zu große Lösung dieser Fehlstellen mit steigender Temperatur zu vermeiden, kann die geringe Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration bei der ersten Temperatur, T₁, bis zu einem gewissen Grad auf die größeren Fehlstellen übertragen werden. Anders ausgedrückt, es wird die Geschwindigkeit der Temperaturerhöhung von T₁ nach T₂ so gesteuert, dass bei einer intermediären Temperatur, T_int, zwischen T₁ und T₂, das einkristalline Silizium eine Population von Sauerstoffpräzipitat-Keimbildungsclustern enthält, von denen mindestens einige, vorzugsweise deren Hauptanteil, bei einer Temperatur vorlagen, die niedrige als T_int aber größer als T₁ ist, und die durch die Anlagerung von Sauerstoffatomen an Größe zunahmen, als die Temperatur auf T_int erhöht wurde (Das Gleichgewicht der Population von Sauerstoffpräzipitat-Keimbildungzentren, welche bei T_int vorliegen, werden bei jeder T_int spontan gebildet).
Das Ergebnis des schrittweisen Temperns ist ein Population von großen Clustern, welche bei jeder Zwischentemperatur, T_int, existieren und letztendlich bei der zweiten Temperatur, T₂, bei denen die Abhängigkeit der Dichte von der Sauerstoffkonzentration im Vergleich zum isothermen Tempern stark reduziert ist. Kennzeichnenderweise weisen sind diese Cluster nicht so groß, so dass ihr Überleben bei der nachfolgenden Vorrichtungsherstellung gesichert ist; Sie können bei der anschließenden thermischen Verarbeitung gelöst werden. Im Ergebnis werden Wafer, die dem schrittweisen Tempern und danach Hoch-Tief-Hoch-Temperaturverfahrensschritten unterworfen werden, wie sie typischerweise bei der Herstellung elektronischer Vorrichtungen auftreten, natürlicherweise und erwünschtermaßen eine Denudiationszone nahe der Oberfläche des Wafers und eine Solldichte an Sauerstoffpräzipitaten außerhalb der Denudiationszone bilden. Darüber hinaus ist der Bereich der Präzipitationsdichten für einen gegebenen Sauerstoffgehalt anhand einer breiten Vielfalt von Parametern leicht einstellbar, welche sowohl die Einstellung eines mittleren Sollwerts als auch der Neigung der Sauerstoffkonzentrationsabhängigkeit zulassen. Diese Parameter sind:

1) die erste Temperatur, T₁
2) die Zeitdauer, während der T₁ aufrechterhalten wird;
3) die Schrittfolge zu höheren Temperaturen;
4) die zweite Temperatur, T₂; und
5) die Zeitdauer, während der T₂ aufrechterhalten wird.

Im Allgemeinen wird die erste Temperatur, T₁, für einen Zeitraum von einer Stunde oder weniger aufrechterhalten, wohingegen die zweite Temperatur, T₂, für einen Zeitraum aufrechterhalten wird, der von der Höhe der zweiten Temperatur bestimmt wird. Liegt T₂ zwischen etwa 600°C und 650°C, wird T₂ typischerweise für nicht mehr als 4 Stunden, vorzugsweise für nicht mehr als zwei Stunden und stärker bevorzugt für nicht mehr als eine Stunde aufrechterhalten. Liegt T₂ zwischen etwa 650°C und 700°C, wird T₂ typischerweise für nicht mehr als 2 Stunden, vorzugsweise für nicht mehr als eine Stunde und stärker bevorzugt für nicht mehr als eine halbe Stunde aufrechterhalten. Liegt T₂ zwischen etwa 700°C und 750°C, wird T₂ typischerweise für nicht mehr als eine Stunde, vorzugsweise für nicht mehr als eine halbe Stunde und stärker bevorzugt für nicht mehr als eine Viertelstunde aufrechterhalten.
Wie vorangehend angegeben, wird die mittlere Aufheizrate zwischen T₁ und T₂ zwischen etwa 0,2°C und 25°C pro Minute betragen. Es ist wichtig, dass die Rate zwischen irgendwelchen zwei Temperaturen im Temperaturbereich von T₁ bis T₂ gesteuert werden sollte, um Sauerstoffpräzipitat-Keimbildungszentren, welche bei niedrigerer Temperatur vorlagen, zu erhalten und zu züchten.
Nachdem das einkristalline Silizium dem gesteuerten Tempern unterworfen wird, ist es wichtig, dass das Silizium nicht einer Wärmebehandlung unterworfen wird, welche vor der Wärmebehandlung vorliegende Sauerstoffpräzipitations-Keimbildungszentren stabilisiert, welche die Bildung einer Denudiationszone verursachen. Andernfalls würden die Sauerstoffcluster (Sauerstoffpräzipitat-Keimbildungszentren), deren Keime gebildet und während des gesteuerten Temperschrittes gezüchtet werden, im Wesentlichen durch die ganze Dicke des Siliziums hindurch stabilisiert werden und die Bildung einer Denudiationszone während des nachfolgenden Fertigungsverfahrens für elektronischer Vorrichtungen wirksam verhindern.
Es ist Wert betont zu werden, dass Sauerstoffpräzipitat-Keimbildungszentren, die in einkristallinem Silizium gemäß dem erfindungsgemäßen gesteuerten Tempern gebildet werden, gelöst werden können. Als Folge davon können die Keimbildungszentren im Bereich nahe der Waferoberfläche gelöst werden, um während eines thermischen Verfahrensschrittes, wie er ein natürlicher und inhärenter Bestandteil eines Herstellungsverfahrens für elektronische Vorrichtungen ist, eine Denudiationszone zu bilden. Außerhalb dieser Denudiationszone können die Sauerstoffpräzipitatzentren stabilisiert werden und dienen als Stellen für des Wachstum von Sauerstoffpräzipitaten bei späteren Verfahrensschritten, wobei die numerische Dichte der Präzipitate außerhalb der Denudationszone innerhalb eines relativ engen Bereichs um einen Sollwert herum liegt.
Darüber hinaus kann die numerische Dichte der Präzipitate außerhalb der Denudiationszone für einen Satz von Wafern so gesteuert werden, dass die Abhängigkeit von der Sauerstofflkonzentration einer niedrigen Ordnung folgt. Vorteilhafterweise können daher Sätze von Wafern, die aus einem oder mehreren nach der Czochralski-Technik gezüchteten Kristallblöcken geschnitten wurden, ohne eine Sortierung nach der Sauerstofflkonzentration oder der thermischen Vorgeschichte anzuwenden oder zu fordern, dass das Silizium eine unannehmbar hohe Kohlenstoffkonzentration enthalten muss, mit einem relativ engen Streubereich um eine numerische Sauerstoffpräzipitat-Solldichte herum hergestellt werden.
Zum Beispiel kann ein Satz von Wafern (z. B. mindestens 2 und vorzugsweise mindestens 25-200 Wafer), die aus einkristallinem Silizium geschnitten wurden, das nach der Czochralski-Technik gezüchtete und dem schrittweisen Tempern und dann einer Sauerstoffpräzipitatstabilisierung und Wachstumswärmebehandlung unterworfen wurde, eine Sauerstoffpräzipitatdichte innerhalb eines engen Bereichs um eine Solldichte aufweisen, die irgendwo zwischen etwa 10⁷ bis etwa 10¹¹ Präzipitate/cm³ liegt. Die Verteilung der Wafer im Satz um diese Solldichte herum ist eine Funktion der Größe der Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration und dem Bereich der Sauerstoffkonzentrationen der Wafer im Satz und kann mathematisch ausgedrückt werden durch
worinO_i ^T = Sauerstoffanfangssollkonzentration für eine Waferpopulation,
O_i ^T + δO_i = Obergrenze der Sauerstoffkonzentration in der Waferpopulation,
O_i ^T – δO_i = Untergrenze der Sauerstoffkonzentration in der Waferpopulation,
OPD^T = Sollpräzipitatdichte für den O_i ⁷-Wert,
OPD^T + δOPD⁺ = Maximale Sauerstoffpräzipitatdichte in der Population,
OPD^T – δOPD⁺ = Minimale Sauerstoffpräzipitatdichte in der Population, Verhältnis von maximalen zu minimalen Präzipitatwerten in einer
Im Allgemeinen beträgt das Verhältnis von maximalen zu minimale Präzipitatwerten in einer Population von Wafern für ein gegebenes O_i ^T ± δO_i, worin O_i ^T irgendein Wert ist, der mit Silizium erzielt werden kann, das nach der Czochralski-Technik gezüchtet wurde, und einem δO_i zwischen etwa 0,5 ppma und 2 ppma, wünschenswerter Weise nicht mehr als 100, vorzugsweise weniger als 50, stärker bevorzugt, weniger als 30, und für manche Anwendungen, am stärksten bevorzugt, weniger als 10, 15, 10 oder sogar 5. In Tabelle I-III sind berechnete Werte für die kalkulierten Maximal/Minimal-Präzipitatwerte in einer Population von Wafern (hierin nachstehend das „OPD max/min-Verhältnis") für ausgewählte Ordnungen der Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration, Sauerstoff-Sollkonzentration und die Sauerstoffkonzentrationsbereiche um den spezifizierten Sollwert herum, für die Wafer in der Population aufgeführt. Die Sauerstoff-Sollkonzentration und der Bereich der Sauerstoff-Konzentrationen ist in ppma ausgedrückt, wobei 1 ppma 5 × 10¹⁶ Atomen/cm³ äquivalent ist.
Gemäß den in den Tabellen I-III angegebenen Werte, können daher Wafersätze mit einer Sauerstoffkonzentration von 12 ± 1 ppma, 13 ± 1 ppma, 14 ± 1 ppma, 15 ± 1 ppma, 16 ± 1 ppma oder 17 ± 1 ppma hergestellt werden, bei denen das Verhältnis von maximaler zur minimaler Sauerstoffpräzipitatdichte für die Wafer im Satz weniger als 50, 40, 30, 20, 15, 10 oder sogar weniger als 5 beträgt. Aus ähnliche Weise können Wafersätze mit einer Sauerstoffkonzentration von 12 ± 1,5 ppma, 13 ± 1,5 ppma, 14 ± 1,5 ppma, 15 ± 1,5 ppma, 16 ± 1,5 ppma oder 17 ± 1,5 ppma hergestellt werden, bei denen das Verhältnis von maximaler zur minimaler Sauerstoffpräzipitatdichte für die Wafer im Satz weniger als 50, 40, 30, 20, 15, 10 oder sogar weniger als 5 beträgt. Zusätzlich können Wafersätze mit einer Sauerstoffkonzentration von 12 ± 2 ppma, 13 ± 2 ppma, 14 ± 2 ppma, 15 ± 2 ppma, 16 ± 2 ppma oder 17 ± 2 ppma hergestellt werden, bei denen das Verhältnis von maximaler zur minimaler Sauerstoffpräzipitatdichte für die Wafer im Satz weniger als 200, 150, 100, 50, 40, 30, 25, 15, 10 oder sogar weniger als 5 beträgt. Diese Wafersätze können zum Beispiel in Waferkassetten des Typs transportiert werden, in denen Wafer typischerweise gelagert und verschifft werden, in Schiffchen des Typs, wie sie typischerweise für die Wärmebehandlung von Siliziumwafern verwendet werden, oder in einem gleichwertigen Waferträger.
Die folgenden Beispiel werden die Erfindung erläutern.
Beispiel 1
Um den Unterschied zwischen dem erfindungsgemäßen schrittweisen Temperungsverfahren und dem isothermen Tempern zu veranschaulichen, wurden zwei Gruppen von Siliziumwafern mit einem breiten Sauerstofikonzentrationsbereich, die aus den gleichen Kristallen entnommen wurden, behandelt. Die Wafer der beiden Gruppen wurden 15 Minuten auf 1000°C erhitzt, um die während des Kristallwachstums gebildeten Sauerstoffpräzipitat-Keimbildungscluster zu lösen. Eine der Gruppen wurde dann 2 Stunden bei 500°C isotherm getempert und die andere Gruppe schrittweise getempert, indem die Wafer 30 Minuten auf 450°C erwärmt, die Temperatur der Wafer mit einer Geschwindigkeit von 1°C pro Minute gesteigert wurde bis die Wafer 650°C erreichten und diese 15 Minuten bei 650°C gehalten. Danach wurden die Wafer der beidem Gruppen 4 Stunden auf 800°C und dann 16 Stunden auf 1000°C erwärmt, um die Sauerstoffpräzipitate zu stabilisieren und zu züchten (die „N1"-Behandlung). Die Ergebnisse sind in 1 und 2 dargestellt.
Die Verbesserung durch die schrittweise Temperungsbehandlung gegenüber der isothermen Behandlung ist bemerkenswert. Die Sauerstoffpräzipitatdichte („OPD") der isotherm getemperten Gruppe weist eine ungefähr 25fache Abhängigkeit von der Sauerstoff anfangskonzentration („O_i") auf, wohingegen das schrittweise getemperte Material nur eine 13fache Abhängigkeit aufweist. Eine Auswirkung dieser Verminderung besteht zum Beispiel darin, dass der Streubereich der Präzipitation innerhalb einer Sauerstofflkonzentration von ±1 ppma um zwei Größenordnungen auf einen Faktor von etwa 2 reduziert wird, d. h. eine Verbesserung um den Faktor 50.
Beispiel 2
Die Vorgehensweise von Beispiel 1 wurde wiederholt, außer dass drei Wafersätze aus unterschiedlichen Kristallen (45DSE, XE8999) und XEH001) und zwei Wafersätze aus unterschiedlichen Teilen eines vierten Kristalls (22FWJ und 22FWA) geschnitten wurden und keiner der Wafer dem isothermen Tempern unterworfen wurde. Die Änderung der Sauerstoffkonzentration („Delta Sauerstoff" ) als Folge dieses Temperns ist in 3 als Funktion der Sauerstoffanfangskonzentration dargestellt. In 3 ist auch eine insgesamt flache, Sförmige Kurve dargestellt, die angibt, wie die Änderung bei der Sauerstoffkonzentration als Funktion der Sauerstoffanfangskonzentration wäre, wenn die Wafer isotherm getempert worden wären, wobei die Kurve auf beträchtlichen früheren experimentellen Werten basiert. Die Verbesserung durch das schrittweise schrittweise Tempern gegenüber dem isothermen Tempern ist aus diesen Daten offensichtlich.
Beispiel 3
Ein anderer Weg die erfindungsgemäßen Vorteile unter Verwendung der in Beispiel 2 gewonnenen Werte zu veranschaulichen, ist aus in 4 ersichtlich. Es wurde eine hypothetische Anforderung an die Sauerstoffpräzipitation für Delta [O_i] = 1,5 × 10¹⁷ bis 4,5 × 10¹⁷ cm ^–1, anschließend an die N1-Behandlung (vgl. Beispiel 1), aufgestellt. Wie die Abbildung zeigt, könnte eine solche Spezifikation bei einem standardmäßig isotherm getemperten Material nur durch Verwendung einer Anfangssauerstoffanforderungen von ± 0,3 ppma erfüllt werden, was mit der herkömmlichen Kristallzüchtungstechnik praktisch unmöglich ist. Verwendest man jedoch das schrittweise Temperverfahren könnte die gleiche enge Anforderung an die Sauerstoffpräzipitation mit einer Anfangssauerstoffspeziffkation von ± 1 erfüllt werden, wie sie bei Verwendung der üblichen Kristallzüchtungstechnik routinemäßig erreicht wird. Bei weniger engen Spezifikationen für die Sauerstoffpräzipitation könnte die Spezifikation für die erste Sauerstoffkonzentration sogar über ± 1 ppma hinaus verbreitert werden und man würde immer noch eine beträchtlich bessere Leistung erzielen, als mit den derzeitig verwendeten Standardherstellungsverfahren.
Weitere Verfeinerungen bei der Ausgangstemperatur, Aufheizrate und der zweiten Temperatur im Verhältnis zu den in Beispiel 2 angewandten Bedingungen, könnten zu weiteren Verbesserungen führen, dermaßen, dass zumindest theoretisch der Exponent der Sauerstoffkonzentrationsabhängigkeit bis zu einem solchen Grad reduziert werden könnte, dass bei Vorliegen eines relativ engen Sauerstoffkonzentrationsbereichs, wie ihn das Czochralski-Verfahren zu bieten in der Lage ist, die Notwendigkeit die erste Sauerstoffkonzentration zu messen oder gar zu spezifizieren gegenstandslos werden könnte. Alle Materialien innerhalb dieses Bereichs (Cz-Material) wären bezüglich ihrer Leistung effektiv identisch (und identisch einstellbar). Als solches könnten Kristallzüchtungsverfahren unter vollständiger Ignorierung der Sauerstofffrage ausgelegt und optimiert werden.
Aus den vorstehenden Ausführungen ist ersichtlich, dass die verschiedenen Gegenstände der Erfindung erreicht werden.
Nachdem bei den vorstehenden Zusammensetzungen und Verfahrenschritten verschiedene Änderungen erfolgen können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, soll der gesamte Inhalt in der vorstehenden Beschreibung als illustrativ und nicht in einem einschränkenden Sinn ausgelegt werden.

Claims

Verfahren zum Steuern der Dichte von Sauerstoffpräzipitat-Keimbildungszentren in einkristallinem Silizium, umfassend: das Annealen bzw. Tempern des einkristallinen Siliziums bei Temperaturen von mindestens 350°C, das Tempern umfassend (i) die Wärmebehandlung des einkristallinen Siliziums bei einer Temperatur, T₁, zwischen 350°C und 500°C zum Formen von Sauerstoffpräzipitat-Keimbildungszentren im einkristallinen Silizium und (ii) das Erhöhen der Temperatur des einkristallinen Siliziums von T₁ auf eine zweite Temperatur, T₂, zwischen 500°C und 750°C, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass die Geschwindigkeit der Temperaturerhöhung von T₁ nach T₂ so gesteuert wird, dass das einkristalline Silizium beim Erreichen von T₂ bei T₁ gebildete Sauerstoffpräzipitats-Keimbilungskluster enthält und dass das Tempern an einem Zeitpunkt beendet wird, an dem die Sauerstoffpräzipitat-Keimbildungszentren durch Wärmebehandlung des Siliziums bei einer Temperatur nicht oberhalb von 1150°C gelöst werden können.
Verfahren gemäß Anspruch 1, worin die mittlere Geschwindigkeit der Temperaturerhöhung von T₁ nach T₂ so gesteuert wird, dass das einkristalline Silizium bei einer Zwischentemperatur oder intermediären Temperatur, T_int, zwischen T₁ und T₂ eine Population von Sauerstoffpräzipitats-Keimbildungsklustern enthält, von denen mindestens einige bei einer Temperatur vorhanden waren, die kleiner als T_int, jedoch größer als T₁ ist, und die über die Aufnahme von Sauerstoffatomen ihre Größe gesteigert haben, wenn die Temperatur auf T_int erhöht wurde.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, worin das einkristalline Silizium eine Kohlenstoffkonzentration unterhalb von 1 × 10¹⁶ Atomen/cm³ aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, worin das einkristalline Silizium vor dem Temperschritt nicht zur Bildung einer Denudationszone wärmebehandelt wurde.
Verfahren gemäß Anspruch 1, 2, 3 oder 4, worin T₁ zwischen 375°C und 475°C und T₂ zwischen 575°C und 725°C liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, worin die mittlere Geschwindigkeit der Temperaturerhöhung von T₁ nach T₂ kleiner als 1°C pro Minute ist.
Satz an einkristallinen Siliziumwafern, zusammengestellt in einer Waferkassette, einem Waferschiffchen oder einem anderen Waferträger, dadurch gekennzeichnet, dass die Wafer nicht auf Basis der Sauerstoffkonzentration oder ihrer thermischen Vorgeschichte für die Aufnahme in den Satz selektiert worden sind, jeder der einkristallinen Siliziumwafer in dem Satz eine im Wesentlichen uniforme Sauerstoffkonzentration bei Abständen von über 5 um von der Oberfläche des Wafers aufweist, wobei der Unterschied zwischen der maximalen und der minimalen Konzentration dieser Sauerstoffkonzentrationen für die Wafer im Satz mindestens 5 × 10¹⁶ Atome /cm³ beträgt, jeder der Wafer in dem Satz zusätzlich eine solche Konzentration von Sauerstoffpräzipitat-Keimbildungszentren aufweist, dass beim Unterwerfen unter eine Wärmebehandlung zur Sauerstoffpräzipitation, die im Wesentlichen aus dem Tempern der Wafer bei 800°C für vier Stunden und anschließend für 16 Stunden bei 1000°C besteht, die Wafer im Satz Sauerstoffpräzipitate enthalten werden, wobei das Verhältnis der maximalen Dichte zur minimalen Dichte der Sauerstoffpräzipitate für die Wafer im Satz nicht mehr als 50 beträgt.
Wafersatz gemäß Anspruch 7, worin der Wafersatz mindestens 25 Wafer umfasst.
Wafersatz gemäß Anspruch 7 oder 8, worin der Unterschied zwischen der maximalen und der minimalen Konzentration im Bereich der Sauerstofflconzentrationen für die Wafer im Satz mindestens 7,5 × 10¹⁶ Atome/cm³ beträgt.
Wafersatz gemäß Anspruch 9, worin das Verhältnis der maximalen Dichte zur minimalen Dichte der Sauerstoffpräzipitate für die Wafer im Satz nicht mehr als 20 beträgt.
Wafersatz gemäß Anspruch 9, worin das Verhältnis der maximalen Dichte zur minimalen Dichte der Sauerstoffpräzipitate für die Wafer im Satz nicht mehr als 10 beträgt.
Wafersatz gemäß Anspruch 9, worin das Verhältnis der maximalen Dichte zur minimalen Dichte der Sauerstoffpräzipitate für die Wafer im Satz nicht mehr als 5 beträgt.