DE19740904A1 - Verfahren zum Beseitigen von Sauerstoff-Restverunreinigungen aus tiegelgezogenen Siliziumwafern - Google Patents

Description

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Dieser Temperzyklus, der auch "denuding-process" genannt wird, ist dabei sehr stark von der anfänglichen Sauerstoff- und Kohlenstoffkonzentration im Silizium abhängig.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Vorzugsweise werden die Gräben mit Polysilizium über mehrere aufeinanderfolgende Schritte aufgefüllt, um eine lunkerfreie Auffüllung zu gewährleisten. Dabei können sämtliche aus der DRAM-Technologie bekannte Verfahren angewendet werden.

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

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

Typischerweise werden Siliziumwafer verwendet, die auf ihrer Vorderseite mit aktiven Bereichen schon versehen sind. Wäh­ rend die Vorderseite solcher schon vorderseitig prozessierten Siliziumwafer durch eine Schutzschicht, beispielsweise eine Oxidschicht, abgedeckt ist, wird dann die hochdotierte Poly­ siliziumschicht durch eine gewöhnliche Phosphorbelegung mit anschließender Diffusion in die Gräben eingebracht.

Sind die Gräben nicht vollgefüllt, so reicht diese Dotierung, die aus der Gasphase erfolgt, sicher bis an die aktive Zone der Bauelemente, die damit niederohmig an die Rückseite ange­ schlossen sind. Nach erfolgter Polysiliziumauffüllung der Gräben wird in bekannter Art und Weise dann die Rückseite mit einer Metallisierung versehen. Metallisierung heißt hier die üblichen Mehrschichtmetallisierungssysteme, z. B. Alumini­ um/Titan/Nickel/Silber. Solche Metallisierungssysteme sind beispielsweise in der DE-A-196 06 101 beschrieben.

Vor dem Ätzen der Gräben wird typischerweise der Siliziumwa­ fer auf die gewünschte Dicke der herzustellenden vertikalen Leistungs-Halbleiterbauelemente zurückgedünnt.

Das Ätzen und Tempern des Siliziumwafers erfolgt bei der Ver­ wendung einer Vorderseitenmetallisierung aus Aluminium selbstverständlich vor Aufbringen dieser Vorderseitenmetalli­ sierung, da bei den erfindungsgemäßen Tempertemperaturen die Vorderseitenmetallisierung zerstört werden würde.

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

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

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

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

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

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

In die Rückseite 3 des Siliziumwafers 1 wurden nach der Pro­ zessierung der Vorderseite mit aktiven Bereichen (nicht ge­ zeigt) und Versehen der Vorderseite mit einer Schutzschicht naßchemisch eine Vielzahl von Gräben 4 geätzt. Durch die Wahl der (111)-Orientierung wird das naßchemische Ätzen sehr stark unterstützt, da dadurch das Ätzen von tiefen Gräben und ins­ besondere auch die Ätzgeschwindigkeit gegenüber einer (100)-Orien­ tierung stark begünstigt ist.

Nach dem Ätzen dieser Gräben wurde der Siliziumwafer 1 auf eine Temperatur von ca. 1100°C in einem Ofen unter einer Schutzgasatmosphäre aufgeheizt. Durch die Vielzahl von Gräben 4 ist die Oberfläche des Siliziumwafers 1 auf der Rückseite 3 sehr groß, so daß sich bei diesem Hochtemperaturschritt die im Inneren des Siliziumwafers 1 befindlichen Sauerstoffaus­ scheidungen auflösen und ausdiffundieren können.

Nach der erfolgten Ausdiffusion der Sauerstoffverunreinigun­ gen erfolgte eine Überätzung der in die Rückseite 3 des Sili­ ziumwafers 1 eingebrachten Gräben 4, um die Grabenkonturen präzise wieder herzustellen und etwaige Verunreinigungen auf der Oberfläche zu beseitigen.

Anschließend erfolgt eine Abscheidung einer Polysilizium­ schicht 5, was in der Fig. 2 zu sehen ist. Im gezeigten Aus­ führungsbeispiel weist diese aufgebrachte Epitaxieschicht eine Dotierung auf.

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

Claims (9)

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

• a) Bereitstellen eines Siliziumwafers (1) mit einer Vorder­ seite (2) und einer Rückseite (3),
• b) Ätzen einer Vielzahl von Gräben (4) in die Rückseite (3) des Siliziumwafers (1),
• c) Aufheizen des Siliziumwafers (1) auf eine Temperatur von ca. 1100°C unter Vakuum oder einer Schutzgasatmosphäre und anschließendem
• d) Auffüllen der Gräben (4) mit hochdotiertem Polysilizium (5)
• e) Aufbringen einer Metallisierung auf die Rückseite (3).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Ver­ fahrensschritt c) die Vielzahl von Gräben (4) überätzt wer­ den.

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

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Auf­ füllen der Gräben (4) mit hochdotiertem Polysilizium über mehrere aufeinanderfolgende Epitaxieschritte erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sili­ ziumwafer (1), der auf der Vorderseite (2) mit aktiven Berei­ chen versehen ist, bereitgestellt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Grä­ ben (4) in eine Tiefe in die Vorderseite (2) des Siliziumwa­ fers (1) geätzt werden, die in etwa der Raumladungszone der zu prozessierenden aktiven vertikalen Leistungs-Halbleiter­ bauelemente entspricht.

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

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sili­ ziumwafer (1) und das abgeschiedene hochdotierte Polysilizium (5) vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp sind.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein hochohmiger Siliziumwafer (1) vor dem Verfahrensschritt b) zurückgedünnt wird.