DE2953410C2

DE2953410C2 - Verfahren zum Dotieren eines Halbleiterwafers durch Wärmegradient-Zonenschmelzen

Info

Publication number: DE2953410C2
Application number: DE2953410T
Authority: DE
Inventors: Suei-Yuen Paul Trenton N.J. Lien
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1978-12-15
Filing date: 1979-11-26
Publication date: 1985-01-31
Also published as: JPS5946090B2; JPS56500233A; FR2444338A1; US4190467A; WO1980001333A1; GB2057759A; DE2953410T1; FR2444338B1; GB2057759B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Dotieren eines Halbleiterwafers durch Wärmegradient-Zonenschmelzen eines Metallmusters durch den Wafer.

Bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen ist es normalerweise notwendig, den Leitfähigkeitstyp ausgewählter Zonen des Halbleiterkörpers durch Dotieren der Zonen mit die Leitfähigkeit modifizierenden Fremdstoffatomen zu ändern. Ein solches Dotieren kann zum Beispiel nach dem Wärmegradient-Zonenschmelzen durchgeführt werden. Mit dieser Methode können in einem Halbleiterkörper in einem relativ kurzen Zeitraum sehr plötzliche Übergänge mit ungewöhnlichen Strukturen und hohen Dotierungskonzentrationen erzeugt werden. Frühe Beschreibungen dieses Verfahrens und einige seiner Anwendungen kann man in der US-PS 28 13 048 und in dem Buch von W. G. Pfann, »Zone Melting«, Copyright by John Wiley & Sons, Inc. finden.

Wärmegradient-Zonenschmelzen ist ein Verfahren, bei dem eine geringe Menge Dotierungsmaterial (im allgemeinen ein Metall) auf eine ausgewählte Oberfläche eines Halbleiterwafers niedergeschlagen und dieser dann bei erhöhter Temperatur einem Temperaturgradienten ausgesetzt wird. Die Gesamttemperatur, bei der das Verfahren durchgeführt wird, muß ausreichend hoch sein, um eine metallreiche flüssige Zone in Form einer Linie, eines Tropfens oder einer Fläche zu bilden, wobei die Zone abhängig von der Anfangsgestalt oder dem Anfangsmuster des niedergeschlagenen Dotierungsmetalls geschaffen wird. Diese flüssige Zone wird veranlaßt, von der kälteren Oberfläche zur heißeren Oberfläche hin durch das Halbleitermaterial zu wandern, wobei sie in ihrem Weg eine rekristallisierte Zone aus Halbleitermaterial hinterläßt, die das Metall und die feste Lösung innerhalb des Halbleitermaterials in einer Konzentration enthält, die bestimmt wird durch die Lösbarkeitsgrenze des darin befindlichen Metalls.

Wenn das auf der Eintrittsoberfläche des Wafers befindliche Dotierungsmaterialmuster durch den gesamten Halbleiterwafer hindurch bis zur gegenüberliegenden Oberfläche des Wafers hin getreu in einer kristallisierten Dotierungszone oder -region reproduziert werden soll, sollte der Temperaturgradient gleichförmig sein und eine einheitliche Richtung aufweisen.

Eines der schwierigsten Probleme bei der Anwendung des Wärmegradienten· Zonenschmelzens bestand in dem Unvermögen, einen großen gleichförmigen Wärmegradienten über der Dicke eines dünnen fragilen Halbleiterwafers zu erzeugen, um das Dotierstoffmuster durch den gesamten Wafer gleichförmig zu reproduzieren. Insbesondere in der Nähe der Kante des Wafers, wo der Wärmeverlust höher ist, pflegt eine Verzerrung des Wärmegradientens vorhanden zu sein.

Bei dem Wärmegradienten-Zonenschmelzverfahren nach der US-PS 40 01 047 erzeugt Infrarotstrahlung den Wärmegradienten durch den Halbleiterwafer. Zwar ist dieser Wärmegradient im größten Teil des Wafers gleichförmig, er wird aber wegen des im Vergleich zum Waferkörper zusätzlichen Wärmeverlusts an der Waferkante in seiner an^onst gleichförmigen Richtung verzerrt Die Verzerrung wiederum verursacht eine Verzerrung des thermischen Wanderungsmusters des Dotierstoffs in den Waferrandzonen, was diesen Bereich für die Vorrichtungsherstellung ungeeignet macht.

Bei einem η-leitenden Silicium-(lll)Wafer (10—20 Ohm · cm) mit einem Durchmesser von 5 cm und einer Dicke von 0,025 cm erstreckt sich z. B. der Wärmegradienten-Verzerrrungsbereich vom Rand um bis zu 0,63 cn zur Wafermitte, was eine Seitwärtswanderung der flüssigen Zone in diesem Bereich und eine Verminderung der nutzbaren Waferfläche um 44% verursacht.

Weiterhin beschreibt die US-PS 38 95 967 ein Verfahren, bei dem die Wärmegradientverzerrung bei der Kante nicht eines dünnen Halbleiterwafers, sondern eines dicken Halbleiterbarrens minimiert werden kann.

Hiernach wird ein dieselbe Dicke wie der Halbleiterbarren aufweisender Schutzring aus Halbleitermateria!, der den Umfang des Halbleiterbarrens im Abstand umgibt, vorgesehen. Der Spalt zwischen Schutzring und Halbleiterbarren muß dabei kleiner sein als 'Λο der Dicke des Halbleiterbarrens, andernfalls wird der Schutzring weniger wirksam, und Gradientenverzerrungen sind im Umfangsbcreich des Halbleiterbarrens noch vorhanden. Das Erfordernis, daß der Spalt zwischen Schutzring und Halbleiterkörper kleiner sein muß als Vio der Dicke und das Erfordernis, daß der Halbleiterkörper und Schutzring koplanar sein müssen, machen eine Verwendung von Schutzringen bei dünnen Halbleiterwafern kommerziell undurchführbar.

Nach der US-PS 40 35 199 wird das Problem der Wärmegradientverzerrung dadurch angegangen, daß in Randbereichen der Oberfläche des Wafers ein Viertelwellenlängen-Absorptionsmaterial niedergeschlagen wird, um an die Waferkante mehr Wärme liefern zu können und so den erhöhten Wärmeverlust bei der Kante zu kompensieren und dadurch die Seitwärts-Wanderung an der Kante des Wafers zu reduzieren. Dieses Verfahren erfordert aber eine genaue Dickensteuerung beim Niederschlagen des Viertelwellenlängen-Absorptionsmaterials und einen zusätzlichen Bearbeitungsschritt. Auch vermag die Wärmeabsorptionsschicht lediglich an der Oberfläche des Wafers zu wirken und ihre Auswirkungen dringen nicht in größere Wafer-Tiefen ein. Das Problem einer Wärmegradientenverzerrung ist daher nach wie vor vorhanden und allenfalls etwas abgemildert, ganz abgesehen davon, daß hierzu schwierig zu steuernde Verfahrensschritte erforderlich sind.

Aus der DE-OS 29 31 117 ist es auch bekannt, die

Getreuheit eines durch den Wafer durchzuschmelzenden Leitungsmusters im Sinne einer kleineren »Verschmierung« dadurch zu verbessern, daß der Temperaturgradient um etwa 2 bis 10° gegen <Jie Oberflächennormale geneigt wird, längs welcher die Wanderung im Kristallmaterial bevorzugt erfolgt Handelt es sich dabei wie häufig um die kristallographisehe (100)-Richtung, so erfolgt die JNeigung bevorzugt in einer diese Richtung und die (0! I)- oder (011)-Richtung enthaltenden Ebene. Das Problem der Gradientenverzerrung im kandbereich des Wafers wird aber dadurch nicht gelöst

Zusammengefaßt: Die derzeitige Wärmegradienten-Zonenschmelzverfahren für dünne Halbleiterwafer führen entweder zu einem Ausschuß größerer Teile des Halbleiterwafer oder gehen mit einer kostspieligen und/oder schwierig zu steuernden Bearbeitung einher.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren der in Rede stehenden Art bereitzustellen, mit dem Wärmegradienten Verzerrungsprobleme längs der Peripherie eines Wafers auf einfach steuerbare Weise und ohne zusätzliche Waferbearbeitungsschritte minimiert werden können.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgäbe ist im Anspruch 1 gekennzeichnet. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Nachstehend ist die Erfindung anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsformen im einzelnen beschrieben; es zeigt

Fig. IA eine Draufsicht auf die Eintrittsfläche eines Halbleiterwafers für ein darauf befindliches Dotierungsmetall in Form eines Gittermusters,

Fig. IB eine Draufsicht auf die Austrittsfläche des Wafers nach F i g. 1A nach der thermischen Wanderung des Musters,

F i g. 2A eine Draufsicht auf die Eintrittsfläche eines Wafers für ein Dotierungsmetall in Form eines Gittermusters mit einem zusätzlichen peripheren Ring gemäß der Erfindung,

F i g. 2B eine Draufsicht auf die Austrittsfläche des Wafers nach F i g. 2A nach der thermischen Wanderung des Musters und

Fig.3 eine Mikrophotographie eines Teils der Austrittsfläche eines thermisch behandelten Halbleiterwafers zu Vergleichszwecken, wobei nur längs eines Teils des Randes der Eintrittsfläche Dotierungsmetall aufgebracht war.

Der Wafer 10 nach Fig. IA besitzt auf seiner als Eintrittsfläche dienenden Hauptfläche 12 einen Dotierungsmetall-Niederschlag 14, der durch den Wafer IO thermisch wandern soll. Das Dotierungsmetall liegt auf der ersten Oberfläche 12 in Form des jeweils gewünschten Musters, hier in Form eines Gitters, vor. Insoweit stellt der Wafer 10 den typischen Stand der Technik dar. Fig. IB zeigt die andere Seite, die Austrittsfläche, des Wafers 10 von Fig. IA nach thermischer Wanderung der Metallisierung. Die dabei typische Verzerrung des Musters im Randbereich des Wafers ist leicht erkennbar. Eine solche Verzerrung, dargestellt durch das Kehlen von sich zur Außenkante des Wafers hin erstreckenden Gitterlinien, kann einen Verlust bis zu 44% eines 5-cm-Halbleiterwafers verursachen.

Der Halbleiterwafer 20 nach Fig. 2A ist dem nach Fig. IA ähnlich, mit der Ausnahme, daß dieser Wafer mit einem peripheren Dotierungsmetallring 22 zusätzlich zu dem Gittermusier 24 desselben DotierungsmetalK auf der Eintrittsfläche \ ersehen ist. Fig. 2B zeigt die gegenüberliegende AuMrittsfläche dieses Wafers nach der thermischen Wanderung des Gitlcrnuisiers.

Man kann sehen, daß das Gittermuster auf der ersten Oberfläche im wesentlichen ohne Verzerrung auf der zweiten Oberfläche nach der thermischen Wanderung des Gittermasters reproduziert wird, wenn auf dem Wafer der periphere Ring vorgesehen wird.

Zu Vergleichszwecken ist in F i g. 3 eine Mikrophotographie eines Teils der Austrittsfläche eines Siliciumwafers dargestellt, der durch thermisches Wandern behandelt wurde, wobei peripheres Dotierungsmetail längs

ίο einer Kante der Eintriusfläche aufgebracht war, aber längs der anderen Kante nicht Wie man aus dieser Mikrophotographie sieht, erstreckt sich das Gittermuster bei der unmetailisierten Kante nicht bis zur Kante des Halbleiterwafers, wohl aber bei der metallisierten Kante. Zweitens gibt es keine seitliche Verzerrung der Liiiien des Gittermusters gegen die parallel zur metallisierten Kante verlaufenden Linien, wohl aber bei der unmeiallisierten Kante. Man nimmt an, daß das Ausbleiben einer Verzerrung bei Gegenwart eines peripheren Dotierungsmetallringes zurückzuführen ist auf die Kompensation des Wärmeverlusts an der Waferkante, wobei diese Kompensation aus der Wanderung einer flüssigen Zone in Form einer durchgehenden Linie entlang der Waferkante gleichzeitig mit der Wanderung des Gittermusters durch den Wafer entsteht. Aufgrund der Unterschiede in den Wärmeleitfähigkeits- und Wärmeabsorptionseigenschaften zwischen der flüssigen Zone und dem festen Halbleitermaterial an den entsprechenden Stellen besitzt die flüssige Zone einen höheren Wärmegehalt als das Halbleitermaterial. Somit kann eine wandernde flüssige Zone an der Waferkante als Wärmeenergiereservoir verwendet werden, um den Wafer mit Wärme zu versorgen und die an der Waferkante verlorengehende Wärme zu kompensieren. Die Seitwärtswanderung an der Waferkante wird dadurch verhindert oder reduziert.

Die Methode hat den Vorteil, einfach anwendbar zu sein, und sie benötigt keine zusätzlichen Bearbeitungsschritte, da der Umfangsring während desselben Ar- beitsschritts niedergeschlagen wird, bei dem auch das Metallmuster gebildet wird.

Das Verfahren beinhaltet das Auswählen eines Wafers aus Halbleitermaterial mit geeigneter Kristallstruktur, geeignetem Leitfähigkeitstyp und geeignetem spezifischen \Viderstand. Wenigstens eine der Hauptflächen des Wafers besitzt eine bevorzugte Kristallebenenorientierung. Typischerweise ist das Halbleitermaterial monokristallines Silicium, und die Kristallorientierung wird aus der Gruppe (100), (1 10) und (111) ausgewählt. Die Oberflächennormale des Wafers ist im wesentlichen ausgerichtet mit einer Kristallachse. Vorzugsweise ist die Wafer-Kristallorientierung(l 11). Werden andere Orientierungen verwendet, muß die periphere Metallschicht einem eingestellten Muster auf der Grundlage der stabilen Kristallorientierung folgen. Es kann Bezug genommen werden auf die US-PS 40 35 199, die die Linienstabilitätsabhängigkeit von der Kristallorientierung angibt.

Eine Metallschicht, die wenigstens ein geeignetes Dotierungsmaterial enthält, welches dem Halbleiterwafer den gewünschten Leitungstyp und Wert des spezifischen Widerstands verleiht, wird auf der unteren Oberfläche des Wafers (Eintrittsoberfläche) im gewünschten Muster niedergeschlagen. Das Muster enthält an der

to Peripherie des Wafers einen Ring aus dem Metall. Ein geeignetes Dotierungsmaterial für n-Silicium ist Aluminium und ein typisches Muster ist ein Gittcrmuster.
Vorzugsweise ist der Siliciumwafcr so orientiert, daß

die beiden Hauptflächen in der kristallographischen (111)-Ebene liegen. In diesem Fall wandert das auf der unteren Hauptfläche niedergeschlagene Alutniniuminetall als Schmelze in <. 111 ^x -Richtung. Vorzugsweise wird das Aluminium zu Beginn an die untere Hauptfläche des Wafers legiert. Dieser Legierungsschritt hilft, eine gleichförmige Benetzung zwischen dem Silicium und dem Aluminium sicherzustellen, um beste Ergebnisse zu erzielen.

Dann wird der Wafer mit seinem unterseitigen Metallmuster in eine Wärmewanderungsvorrichtung gegeben, wobei seine obere Hauptfläche einer Strahlungsenergiequelle, beispielsweise einer Infrarotlampe, zugewandt ist. Die untere Hauptfläche ist einer kalten Schwarzkörper-Wärmesenke zugewandt. Thermische Wanderung wird eingeleitet, wenn der Wafer auf eine Temperatur aufgeheizt ist, die zum Schmelzen des Aluminiums ausreicht. Dabei bildet sich zunächst eine aluminiumreiche Siliciumschmelze auf der unteren Hauptfläche, die das Anfangsmuster trägt. Die Schmelze löst das Silicium auf der heißeren Seite, und gleichzeitig damit beginnt aluminium-dotiertes Silicium auf der kälteren Seite zu rekristallisieren, wenn die Schmelze durch das feste Material des Wafers zur heißen Oberfläche wandert. Hinter der wandernden Schmelze entsteht eine.Zone rekristallisierten Silicium-Halbleitermaterials, das mit Aluminium bis zur Fest-Löslichkeitsgrenze dotiert ist, wie diese durch die Temperatur, bei der die Wanderung ausgeführt wird, bestimmt ist.

Wenn der Vorgang abhängig von der Waferdicke, der Temperatur, dem Temperaturgradienten usw. ausreichend lang fortgesetzt wird (typischerweise 2 bis 15 Minuten), tritt die Schmelze auf der heißen Oberfläche des Wafers hervor, und die rekristallisierte Zone geht durch die gesamte Waferdicke.

Während im beschriebenen Beispiel Aluminium als Teil der oder als die gesamte Schmelze verwendet wurde, können auch andere Materialien verwendet werden, um η-Leitfähigkeit, p-Leitfähigkeit oder Eigenleitfähigkeit zu erhalten. Wenngleich es praktischer ist, für den peripheren Ring dasselbe Metall wie für das Muster, das durch den Halbleiterwafer wandern soll, zu verwenden, ist es auch möglich, für den peripheren Ring ein anderes Metall als für den Resides Musters zu verwenden.

Als Beispiel wurde die thermische Wanderung von Aluminium durch einen n-leitenden (111)-Siliciumwafer mit 10—20 Ohm · cm und einer Dicke von 0,025 cm durchgeführt. Ein Gittermuster von 0,1 · 0,1 cm mit einer Linienbreite von 0,015 cm wurde auf der Eintrittsfläche des Wafers durch herkömmliche photolithographisehe und selektive Ätzverfahren erzeugt. Die thermische Wanderung wurde bei 1220⁰C bei einem geschätzten Temperaturgradienten von etwa 50—100°C pro cm durchgeführt. Das Gittermuster enthielt einen Aluminiumring an der Peripherie der Eintrittsfläche des Halbleiterwafers. Die thermische Wanderung wurde fortgesetzt, bis das Gittermuster bis zur entgegengesetzten Waferfläche durchgewandert war. Der erhaltene Wafer zeigte keine wesentliche Verzerrung des Gittermusters, und sämtliche Gitterlinien erstreckten sich bis zur Kante des Wafers.

Es wurde gefunden, daß der Verzerrungs-Eliminierungsgrad aufgrund des Kanteneffekts von Breite und Stärke der peripheren Metallschicht abhängt Diese Kombination aus Breite und Dicke steht in Beziehung zu der Gesamtmenge des Metalls, das Anteil hat an der Verschiebung des Wärmeverlusts an der Kante. Ein bevorzugter Bereich der Metallbreite liegt bei etwa 0,05—0,1 cm Breite bei einer Stärke von etwa 8—10 Mikrometer. Unterhalb dieses Bereichs ist bei 0,025 cm dicken Wafern und bei Gradienten von etwa 50—100°C/cm nach der Wanderung noch etwas Verzerrung, die signifikant sein kann, vorhanden, während oberhalb dieses Bereichs eine Überkompensation des Wärmeverlusts vorliegt, und die Verzerrung beginnt, sich in der entgegengesetzten Richtung bemerkbar zu machen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Dotieren eines Halbleiterwafers durch Wärmegradient-Zonenschmelzen eines Metallmusters durch den Wafer, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallmuster (24) rund um die Peripherie der Eintrittsfläche, benachbart zur Kante des Wafers eine Metallschicht (22) enthält

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterwafer einkristailines Silicium ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintritts- und die Austritts-Oberfläche in der kristallographischen (lll)-Richtung liegen.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Aluminium ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der peripheren Metallschicht etwa 8 bis 10 Mikrometer und die Schichtbreite etwa 0,05 bis 0,10 cm beträgt