Halbleiterscheibe

Gegenstand der Erfindung ist eine epitaktisch beschichtete Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium und ein Verfahren zur Herstellung der Halbleiterscheibe. Die Halbleiterscheibe ist eine p/p ⁺ epitaktisch beschichtete Halbleiterscheibe und umfasst eine Substratscheibe aus einkristallinem Silizium, die mit einer epitaktischen Schicht aus einkristallinem Silizium bedeckt ist. Die Substratscheibe und die epitaktische Schicht sind mit Bor dotiert, wobei die Dotierstoff-Konzentration in der

Substratscheibe wesentlich größer ist.

Die Substratscheibe wird von einem Einkristall abgetrennt, der nach der Czochralski- Methode (CZ-Methode) gezogen wird. Die CZ-Methode umfasst das Ziehen des Einkristalls aus einer Schmelze, die in einem Tiegel enthalten ist. Die Substratscheibe wird in der Regel mechanisch bearbeitet, geätzt und poliert, bevor die epitaktische Schicht mittels Gasphasenabscheidung (chemical vapor deposition, CVD) auf einer polierten oberen Seitenfläche der Substratscheibe abgeschieden wird. Stand der Technik / Probleme

In US 201 1/0300371 A1 ist beispielsweise erwähnt, dass eine p/p ⁺ epitaktisch beschichtete Halbleiterscheibe als Grundmaterial zur Herstellung von Festkörper- Bildsensoren besonders geeignet ist. Die hohe Dotierstoff-Konzentration in der Substratscheibe erleichtert die Bildung von Sauerstoff-Präzipitaten, die benötigt werden, um als sogenannte interne Getter metallische Verunreinigungen an sich zu binden und von der epitaktischen Schicht fernzuhalten.

US 6, 565, 822 B1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Einkristallen aus Silizium mit hoher Bor-Konzentration nach der CZ-Methode und die Herstellung von epitaktisch beschichteten Halbleiterscheiben ausgehend von Substratscheiben, die von solchen Einkristallen erhalten werden. Beim Ziehen der Einkristalle wird die Schmelze mit einem horizontalen Magnetfeld beaufschlagt. Sauerstoff-Präzipitate, sogenannte BMDs (bulk micro defects), wachsen aus BMD- Keimen heran. Solche BMD-Keime überstehen eine Wärmebehandlung der

Substratscheibe bei hohen Temperaturen nicht, wenn sie zu klein sind. Beim

Abscheiden der epitaktischen Schicht können daher BMD-Keime gelöscht werden. Zum Wachsen von BMDs aus BMD-Keimen ist ebenfalls eine Wärmebehandlung notwendig, die vorteilhafterweise im Zuge der Weiterverarbeitung der epitaktisch beschichteten Halbleiterscheibe zu elektronischen Bauelementen vorgenommen wird. Einem Trend zufolge laufen die thermischen Prozesse im Zuge dieser

Weiterverarbeitung bei niedrigeren Temperaturen und mit geringerem thermischem Budget als früher ab, weshalb die Herausforderung größer geworden ist, eine epitaktisch beschichtete Halbleiterscheibe bereitzustellen, die unter diesen

Umständen bereits zu Beginn der Bauelementherstellung über eine ausreichend hohe Gettereffizienz verfügt. Um eine ausreichend hohe Dichte an BMDs zu erreichen, wird in US 201 1/0300371 A1 vorgeschlagen, die Substratscheibe mit Kohlenstoff und gegebenenfalls mit Stickstoff absichtlich zu dotieren, und die epitaktisch beschichtete Halbleiterscheibe einer Wärmebehandlung zu unterziehen. Zusätzliches Dotieren mit Kohlenstoff und/oder mit Stickstoff verkompliziert die Herstellung des Einkristalls und birgt die Gefahr, dass durch zusätzliche Dotierstoffe ausgelöst Stapelfehler-Defekte gebildet werden. Die epitaktisch beschichtete Halbleiterscheibe einer Wärmebehandlung zu unterziehen, die nicht im Zuge von deren Weiterverarbeitung zu elektronischen Bauelementen vorgesehen ist, ist unwirtschaftlich, ebenso wie eine

Wärmebehandlung der Substratscheibe vor dem Abscheiden der epitaktischen Schicht.

In DE 10 2014 221 421 B3 wird vorgeschlagen, auf das absichtliche Dotieren der Schmelze mit Stickstoff zu verzichten und eine Wärmebehandlung der

Substratscheibe vor dem Abscheiden der epitaktischen Schicht zu unterlassen.

Besondere Beachtung wird allerdings dem Ziehen des Einkristalls gewidmet, wobei unter anderem darauf geachtet wird, dass die Konzentration von Sauerstoff im

Einkristall nicht weniger als 5 10 ¹⁷ Atome/cm ³ und nicht mehr als 6 10 ¹⁷

Atome/cm ³ beträgt und die Resistivität des Einkristalls nicht weniger als 10 nnQcnn und nicht mehr als 20 nnQcnn ist, und der Einkristall im Temperaturbereich von 1000°C bis 800°C mit einer Geschwindigkeit abgekühlt wird, die nicht weniger als 0,5 °C/min und nicht mehr als 1 ,2 °C/min beträgt. Es stellt sich jedoch heraus, dass eine epitaktisch beschichtete Halbleiterscheibe, die nach dem Verfahren hergestellt wird, das in DE 10 2014 221 421 B3 beschrieben ist, den aktuellen Anforderungen nicht mehr genügt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine epitaktisch beschichtete Halbleiterscheibe bereitzustellen, die diese Anforderungen erfüllt, und aufzuzeigen, wie eine solche Halbleiterscheibe hergestellt werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine epitaktisch beschichtete

Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium, umfassend eine p ⁺ -dotierte

Substratscheibe;

eine p-dotierte epitaktische Schicht aus einkristallinem Silizium, die eine obere Seitenfläche der Substratscheibe bedeckt;

eine Sauerstoff-Konzentration der Substratscheibe von nicht weniger als 5,3 x 10 ¹⁷ Atome/cm ³ und nicht mehr als 6,0 x 10 ¹⁷ Atome/cm ³ ;

eine Resistivität der Substratscheibe von nicht weniger als 5 nnQcnn und nicht mehr als 10 nnQcnn; und

das Potenzial der Substratscheibe in Folge einer Wärmebehandlung der epitaktisch beschichteten Halbleiterscheibe BMDs auszubilden, wobei die Dichte an BMDs ein Maximum von nicht weniger als 2 x 10 ¹⁰ /cm ³ aufweist, der Abstand des Maximums zu einer Vorderseite der epitaktisch beschichteten Halbleiterscheibe nicht größer als 20 μιτι ist, und das Verhältnis der Dichten an BMDs im Abstand von 20 μιτι und im Abstand von 60 μιτι zur Vorderseite der epitaktisch beschichteten Halbleiterscheibe nicht weniger als 5 beträgt. Die Substratscheibe enthält eine Menge an Bor, die ausreichend ist, um die

Resistivität (den spezifischen elektrischen Widerstand) auf nicht weniger als 5 nnQcnn und nicht mehr als 10 nnQcnn einzustellen. Vorzugsweise beträgt die Resistivität nicht weniger als 6 nnQcnn und weniger als 10 nnQcnn. Die Sauerstoff-Konzentration der Substratscheibe beträgt nicht weniger als 5,3 x 10 ¹⁷ Atome/cm ³ und nicht mehr als 6,0 x 10 ¹⁷ Atome/cm ³ (new ASTM).

Die Substratscheibe ist nicht absichtlich mit Kohlenstoff dotiert und enthält daher vorzugsweise nicht mehr als 1 ^χ 10 ¹⁶ Atome/cm ³ dieses Elements, besonders bevorzugt nicht mehr als 1 ^χ 10 ¹⁵ Atome/cm ³ . Die Substratscheibe ist auch nicht absichtlich mit Stickstoff dotiert und enthält daher vorzugsweise nicht mehr als 1 10 ¹² Atome/cm ³ dieses Elements. Die Dicke der epitaktischen Schicht beträgt vorzugsweise nicht weniger als 1 μιτι und nicht mehr als 5 μιτι, besonders bevorzugt 2 μιτι bis 3 μιτι.

Die epitaktisch beschichtete Halbleiterscheibe hat eine denuded zone, also einen Bereich, der sich von der Vorderseite ins Innere erstreckt und in dem keine BMDs gebildet werden. Die denuded zone hat eine Dicke von vorzugsweise nicht weniger als 3 μιτι und nicht mehr als 7 μιτι.

Der Durchmesser der epitaktisch beschichteten Halbleiterscheibe beträgt nicht weniger als 200 mm, vorzugsweise nicht weniger als 300 mm.

Die Substratscheibe enthält BMD-Keime, die sich durch eine Wärmebehandlung zu BMDs entwickeln lassen. Die Wärmebehandlung erfolgt vorzugsweise in einem Ofen und vorzugsweise im Zuge der Weiterverarbeitung der epitaktisch beschichteten Halbleiterscheibe zu elektronischen Bauelementen.

Die Wärmebehandlung wird beispielsweise bei einer Temperatur von 850 °C über einen Zeitraum von 1 h in Sauerstoff durchgeführt oder beispielsweise bei einer Temperatur von 900 °C über einen Zeitraum von 30 min in Argon oder ist

beispielsweise eine zweistufige Wärmebehandlung bestehend aus dem Erhitzen der epitaktisch beschichteten Halbleiterscheibe auf eine Temperatur von 850 °C über einen Zeitraum von 1 h und im Anschluss daran dem Erhitzen auf eine Temperatur von 1000 °C über einen Zeitraum 1 h in Sauerstoff.

Unabhängig davon, welche dieser drei Möglichkeiten verwirklicht wird, hat die Substratscheibe der epitaktisch beschichteten Halbleiterscheibe nach der verwirklichten Wärmebehandlung oder einer Wärmebehandlung mit vergleichbarem thermischem Budget folgende Eigenschaften: die Dichte an BMDs weist ein Maximum von nicht weniger als 2 x 10 ¹⁰ /cm ³ auf und der Abstand des Maximums zur

Vorderseite der epitaktisch beschichteten Halbleiterscheibe beträgt nicht mehr als 20 μιτι. Des Weiteren beträgt der Quotient der Dichte an BMDs im Abstand von 20 μιτι zur Vorderseite und der Dichte an BMDs im Abstand von 60 μιτι zur Vorderseite nicht weniger als 5, wobei die Oberfläche der epitaktischen Schicht, die von der

Substratscheibe abgewandt liegt, die Vorderseite der beschichteten Halbleiterscheibe bildet.

Der Verlauf der Dichte an BMDs von der Vorderseite ins Innere der epitaktisch beschichteten Halbleiterscheibe wird vorzugsweise durch Zählen von Defekten mit einem optischen Mikroskop ermittelt, und zwar an einer Bruchkante der epitaktisch beschichteten Halbleiterscheibe nach Präparation (delineation) der BMDs durch RIE (reactive ion etching). Die Präparationsmethode mittels RIE ist beispielsweise von Nakashima et al. im Journal of The Electrochemical Society, 147 (1 1 ), 4294-4296 (2000) beschrieben worden.

Gegenstand der Erfindung ist des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung einer p/p ⁺ epitaktisch beschichteten Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium, umfassend: das Ziehen eines Einkristalls aus Silizium mit einer Ziehgeschwindigkeit aus einer Schmelze, die mit Bor dotiert und in einem Tiegel enthalten ist, wobei die

Konzentration von Sauerstoff in einem vorgesehenen Abschnitt des Einkristalls nicht weniger als 5,3 x 10 ¹⁷ Atome/cm ³ und nicht mehr als 6,0 x 10 ¹⁷ Atome/cm ³ beträgt und die Resistivität des Einkristalls nicht weniger als 5 mQcm und nicht mehr als 10 mQcm ist;

das Abkühlen des Einkristalls in einem ersten Temperaturbereich von 600 °C bis 500 °C, wobei die Verweildauer im ersten Temperaturbereich nicht weniger als 353 min und nicht mehr als 642 min beträgt, und das Abkühlen des Einkristalls in einem zweiten Temperaturbereich von 500 °C bis 400 °C, wobei die Verweildauer im zweiten Temperaturbereich nicht weniger als 493 min und nicht mehr als 948 min beträgt; das Abtrennen einer Substratscheibe vom vorgesehenen Abschnitt des abgekühlten Einkristalls; und

das Abscheiden einer p-dotierten epitaktischen Schicht aus einkristallinem Silizium auf einer polierten oberen Seitenfläche der Substratscheibe. Die Verweildauer im ersten Temperaturbereich beträgt vorzugsweise nicht weniger als 353 min und nicht mehr als 514 min. Die Verweildauer im zweiten

Temperaturbereich beträgt vorzugsweise nicht weniger als 493 min und nicht mehr als 759 min.

In einem dritten Temperaturbereich von 1000 °C bis 800 °C beträgt die Verweildauer vorzugsweise nicht weniger als 105 min und nicht mehr als 157min. Zum Verfahren, das in DE 10 2014 221 421 B3 beschrieben ist, bestehen wichtige Unterschiede. Die Schmelze wird mit einer größeren Menge an Bor dotiert, so dass die Resistivität des Einkristalls nicht weniger als 5 rnQcnn und nicht mehr als 10 rnQcnn ist, vorzugsweise nicht weniger als 6 mQcm und weniger als 10 mQcm. Des Weiteren wird beim Abkühlen des Einkristalls darauf geachtet, dass der

Einkristall im Temperaturbereich von 600 °C bis 500 °C und im Temperaturbereich von weniger als 500 °C bis 400 °C vergleichsweise langsam abkühlt.

Der Einkristall kann beispielsweise in Gegenwart eines mit Wasser gekühlten Kühlers abgekühlt werden. Die vorgesehenen Verweildauern können insbesondere durch die Anordnung und die Leistung des Kühlers und durch die Ziehgeschwindigkeit eingestellt werden, mit der der Einkristall aus der Schmelze gezogen wird. Eine günstige Kombination von Anordnung, Leistung und Ziehgeschwindigkeit kann beispielsweise über Simulationsrechnungen herausgefunden werden. Auf den Kühler kann auch verzichtet werden. In diesem Fall wird die Ziehgeschwindigkeit ermittelt, die bei vorgegebener Konfiguration der Vorrichtung zum Ziehen des Einkristalls die angestrebten Verweildauern liefert.

Die Ziehgeschwindigkeit beträgt vorzugsweise nicht weniger als 0,4 mm/min und nicht mehr als 1 ,8 mm/min, wobei dieser Bereich insbesondere zum Ziehen von

Einkristallen mit Durchmessern von 200 mm, 300 mm oder größer maßgeblich ist.

Die Schmelze wird vorzugsweise mit einem Magnetfeld beaufschlagt. Das Magnetfeld ist vorzugsweise ein horizontales Magnetfeld. Es wird unterlassen, die Schmelze mit Kohlenstoff oder mit Stickstoff oder mit

Kohlenstoff und Stickstoff absichtlich zu dotieren.

Wie beispielsweise in DE 10 2014 221 421 B3 beschrieben, werden der gezogene Einkristall zu Substratscheiben aus einkristallinem Silizium und die Substratscheiben zu epitaktisch beschichteten Halbleiterscheiben weiterverarbeitet. Die Arbeitsschritte umfassen vorzugsweise die mechanische Bearbeitung einer Substratscheibe, beispielsweise das Läppen und/oder das Schleifen der Seitenflächen der

Substratscheibe und das Verrunden der Kante der Substratscheibe. Die

Substratscheibe wird vorzugsweise auch chemisch geätzt und chemisch-mechanisch poliert. Sie weist daher eine polierte Kante und mindestens eine polierte

Seitenfläche auf. Vorzugsweise wird die obere und die untere Seitenfläche poliert. Die epitaktische Schicht aus Silizium wird auf einer polierten Seitenfläche

abgeschieden. Dieser Schritt wird vorzugsweise in einem Einzelscheibenreaktor durchgeführt, beispielsweise in einem von Applied Materials angebotenen Reaktor vom Typ Centura ^® . Das Abscheidegas enthält vorzugsweise ein Wasserstoff enthaltendes Silan, beispielsweise Trichlorsilan (TCS) und ein Dotierstoff

enthaltendes Gas. Die Abscheidetemperatur liegt bei Verwendung von TCS in einem Temperaturbereich von vorzugsweise nicht weniger als 1000°C und nicht mehr als 1250°C.

Das Abscheiden der epitaktischen Schicht ist die erste Wärmebehandlung der Substratscheibe, die bei einer Temperatur von mehr als 700°C erfolgt. Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezugnahme auf Zeichnungen und Beispiele weiter beschrieben.

Kurzbeschreibung der Figuren

Fig. 1, 3 und 4 zeigen jeweils den Verlauf der Dichte an BMDs (NBMD) in Abhängigkeit des Abstands (D) zur Vorderseite einer epitaktisch beschichteten Halbleiterscheibe, die ein Beispiel repräsentiert. Fig. 2 zeigt den Verlauf der Dichte an BMDs (NBMD) in Abhängigkeit des Abstands (D) zur Vorderseite einer epitaktisch beschichteten Halbleiterscheibe, die ein

Vergleichsbeispiel repräsentiert. Beispiel:

Es wurde ein Einkristall aus einkristallinem Silizium nach der CZ-Methode mit einer Ziehgeschwindigkeit von 0,57 mm/min gezogen. Zur Kühlung des Einkristalls wurde ein mit Wasser gekühlter Kühler eingesetzt. Die Schmelze war nur mit Bor dotiert und mit einem horizontalen Magnetfeld beaufschlagt worden. Einzelheiten zu

Verweildauern (dt), mit denen der Einkristall in den entscheidenden

Temperaturintervallen abgekühlt wurde, sind der nachfolgenden Tabelle zu

entnehmen. Vom Einkristall abgetrennte Substratscheiben mit einem Durchmesser von 300 mm und einer Dicke von 775 μιτι, einer Sauerstoffkonzentration von 5,7 x 10 ¹⁷ /cm ³ und einer Resistivität von 9 mQcm wurden zu p/p ⁺ epitaktisch beschichteten Halbleiterscheiben aus Silizium weiterverarbeitet. Die Dicke der epitaktischen Schicht betrug 3 μιτι.

Das Potenzial einer solchen epitaktisch beschichteten Halbleiterscheibe BMDs ausbilden zu können, wurde nach der zweistufigen Wärmebehandlung (850 °C, 1 h und 1000 °C, 1 h, jeweils in Sauerstoff) der epitaktisch beschichteten

Halbleiterscheibe mittels RIE und Defekt-Zählen im optischen Mikroskop ermittelt. Verwendet wurde ein RIE-System vom Typ Plasmalab System 133 des Herstellers OXFORD INSTRUMENTS in Verbindung mit HBr, O ₂ , Cl ₂ und Ar als Gasen zum Ätzen. Bei einem Druck von 2 Pa und mit einer rf-Leistung von 350 W wurde mit einer Selektivität im Bereich von 1 : 100 (S1O2 : Si) geätzt.

Fig. 1 zeigt den Verlauf der Dichte an BMDs (NBMD) in Abhängigkeit des Abstands (D) zur Vorderseite einer epitaktisch beschichteten Halbleiterscheibe. Demnach steigt die Dichte an BMDs bereits in vergleichsweise kleinem Abstand zur Vorderseite auf ein Maximum von etwas weniger als 1 x 10 ¹¹ /cm ³ an, um dann innerhalb einer vergleichsweise kurzen Strecke auf werte im Bereich von 5 x 10 ⁹ /cm ³ abzufallen.

Vergleichsbeispiel:

Es wurde ein Einkristall aus einkristallinem Silizium nach der CZ-Methode mit einer Ziehgeschwindigkeit von 0,57 mm/min gezogen. Einzelheiten zu Verweildauern (dt), mit denen der Einkristall in bestimmten Temperaturintervallen abgekühlt wurde, sind der nachfolgenden Tabelle zu entnehmen. Vom Einkristall abgetrennte

Substratscheiben mit einem Durchmesser von 300 mm und einer Dicke von 775 μιτι, einer Sauerstoffkonzentration von 5,5 x 10 ¹⁷ /cm ³ und einer Resistivität von 8 mQcm wurden zu p/p ⁺ epitaktisch beschichteten Halbleiterscheiben aus Silizium

weiterverarbeitet. Die Dicke der epitaktischen Schicht betrug 3 μιτι.

Das Potenzial einer solchen epitaktisch beschichteten Halbleiterscheibe BMDs ausbilden zu können, wurde nach der zweistufigen Wärmebehandlung (850 °C, 1 h und 1000 °C, 1 h, jeweils in Sauerstoff) der epitaktisch beschichteten

Halbleiterscheibe mittels RIE und Defekt-Zählen im optischen Mikroskop ermittelt.

Fig. 2 zeigt den Verlauf der Dichte an BMDs (NBMD) in Abhängigkeit des Abstands (D) zur Vorderseite einer epitaktisch beschichteten Halbleiterscheibe. Demnach wird in der Nähe der Vorderseite kein Maximum an BMDs mit der geforderten Eigenschaft erhalten und die Dichte an BMDs bleibt deutlich unter 1 x 10 ¹⁰ /cm ³ .

Tabelle:

Die Daten zeigen, dass der Verweildauer in den Temperaturbereichen von 600 °C an eine besondere Bedeutung zufällt. Sie muss vergleichsweise groß sein, damit sich das gewünschte BMD-Profil ausprägen kann.

Ein ähnlicher Verlauf von BMD-Dichten wird auch erhalten, wenn an Stelle der zweistufigen Wärmebehandlung eine der zuvor beschriebenen Wärmebehandlungen durchgeführt wird.

Fig. 3 zeigt den Verlauf der Dichte an BMDs (NBMD) in Abhängigkeit des Abstands (D) zur Vorderseite einer gemäß Beispiel epitaktisch beschichteten Halbleiterscheibe nach einer Wärmebehandlung in einem Ofen bei einer Temperatur von 850 °C in Sauerstoff über einen Zeitraum von 1 h. Fig.4 zeigt den Verlauf der Dichte an BMDs (NBMD) in Abhängigkeit des Abstands (D) zur Vorderseite einer gemäß Beispiel epitaktisch beschichteten Halbleiterscheibe nach einer Wärmebehandlung in einem Ofen bei einer Temperatur von 900 °C in Argon über einen Zeitraum von 30 min.

Die vorstehende Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen ist exemplarisch zu verstehen. Die damit erfolgte Offenbarung ermöglicht es dem Fachmann einerseits, die vorliegende Erfindung und die damit verbundenen Vorteile zu verstehen, und umfasst andererseits im Verständnis des Fachmanns auch offensichtliche

Abänderungen und Modifikationen der beschriebenen Strukturen und Verfahren. Daher sollen alle derartigen Abänderungen und Modifikationen sowie Äquivalente durch den Schutzbereich der Ansprüche abgedeckt sein.