DE60224099T2

DE60224099T2 - Silizium wafer und verfahren zur steuerung der tiefe einer defektfreien zone von einem silizium wafer mit idealem sauerstoffniederschlagverhalten

Info

Publication number: DE60224099T2
Application number: DE60224099T
Authority: DE
Inventors: J. L. Libbert; M. J. Binns; R. J. Falster
Original assignee: SunEdison Inc
Current assignee: SunEdison Inc
Priority date: 2002-04-10
Filing date: 2002-10-21
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2022-10-22
Also published as: KR20040099416A; CN1625802A; JP2005522879A; US20030192469A1; CN1324664C; WO2003088346A1; EP1493179B1; EP1493179A1; TW564500B; KR100745309B1; DE60224099D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Herstellung eines Substrats aus Halbleitermaterial, insbesondere einen Siliziumwafer, der zur Herstellung elektronischer Komponenten geeignet ist und dient. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren für die Behandlung von Siliziumwafern, um in Ihnen eine ungleichmäßige Verteilung von Kristallgitterleerstellen zu bilden, so dass die Wafer nach den Wärmebehandlungszyklen eines im Wesentlichen beliebigen Verfahrens zur Herstellung elektronischer Bauteile in der Masse Sauerstoffniederschläge und in der Nähe der Oberfläche eine dünne oder flache niederschlagsfreie Zone bilden.
Einkristallsilizium, das das Ausgangsmaterial für die meisten Verfahren zur Herstellung elektronischer Halbleiterkomponenten ist, wird üblicherweise nach dem sogenannten Czochralski(CZ)-Verfahren hergestellt, in dem ein Einkristallkeim in geschmolzenes Silizium eingetaucht wird, der dann durch langsames Herausziehen wächst. Geschmolzenes Silizium wird während der Zeit, in der es in einem Quarztiegel enthalten ist, mit verschiedenen Verunreinigungen, darunter hauptsächlich Sauerstoff verunreinigt. Bei der Temperatur der geschmolzenen Siliziummasse gelangt Sauerstoff in das Kristallgitter, bis es eine Konzentration erreicht, die durch die Sauerstofflöslichkeit in Silizium bei der Temperatur der geschmolzenen Masse und durch den tatsächlichen Entmischungskoeffizienten von Sauerstoff in dem erstarrten Silizium bestimmt wird. Diese Konzentrationen sind größer als die Sauerstofflöslichkeit in festem Silizium bei Temperaturen, die für die Verfahren zur Herstellung elektronischer Bauteile typisch sind. Wenn der Kristall aus der geschmolzenen Masse wächst und sich abkühlt, nimmt daher die Sauerstofflöslichkeit in ihm schnell ab, wodurch in den am Ende vorliegenden Scheiben oder Wafern Sauerstoff in übersättigten Konzentrationen vorliegt.
Thermische Behandlungszyklen, die typischerweise bei Verfahren zur Herstellung elektronischer Bauteile Anwendung finden, können in an Sauerstoff übersättigten Siliziumwafern die Ausfäl lung von Sauerstoff verursachen. Die Niederschläge können je nach ihrer Stelle in dem Wafer und ihrer relativen Größe schädlich oder von Vorteil sein. Kleine Sauerstoffcluster sind elektrisch aktive thermische Donatoren und können ohne Rücksicht auf die Stelle in dem Wafer den spezifischen Widerstand verringern. Große Sauerstoffniederschläge, die sich in dem aktiven Bauteilbereich des Wafers befinden, können den Betrieb des Bauteils beeinträchtigen, jedoch sind sie bei Anordnung in der Masse des Wafers in der Lage, unerwünschte Metallverunreinigungen abzufangen, die z.B. während der Herstellungsverfahren der Bauelemente mit dem Wafer in Kontakt kommen können. Dies wird üblicherweise als innere Getterung oder Eigengetterung(„IG") bezeichnet.
Falster et al. entwickelten ein schnelles thermisches Verfahren zur zuverlässigen und reproduzierbaren Bildung einer Verteilung von Kristallgitterleerstellen, die ihrerseits eine Matrize für die Sauerstoffausfällung in Siliziumwafern erstellen (siehe z.B. US-Patente Nr. 5,994,761 , 6,191,010 und 6,180,220 ).
Das hier beschriebene „ideale Ausfällungsverfahren" ergibt im Allgemeinen eine ungleichmäßige Verteilung der Kristallgitterleerstellen, wobei die Konzentration in der Wafermasse höher als in einer Oberflächenschicht ist. Bei einer anschließenden Wärmebehandlung zur Sauerstoffausfällung bildet die hohe Leerstellenkonzentration in der Wafermasse Sauerstoffniederschlagskeimbildungszentren, die die Bildung und das Wachstum von Sauerstoffniederschlägen fördern, wobei die Leerstellenkonzentration in dem oberflächennahen Bereich hierzu nicht ausreichend ist. Im Ergebnis bildet sich in dem oberflächennahen Bereich eine geleerte Zone, und in der Wafermasse bilden sich Sauerstoffniederschläge, die manchmal als Volumen-Mikrofehlstellen oder einfach BMDs bezeichnet werden. Die Tiefe der geleerten Zonen kann nach der vorliegenden Beschreibung dadurch gesteuert werden, dass man die Abkühlungsgeschwindigkeit des Wafers von der Glühtemperatur auf die Temperatur steuert, bei der Kristallgitterleerstellen in einer wirtschaftlich praktischen Zeitdauer im Wesentlichen unbeweglich werden (z.B. 700°C).
Für einige Anwendungen wie Wafer mit hohem spezifischem Widerstand können geleerte Zonen solcher Tiefe jedoch nicht immer erwünscht oder von Vorteil sein. Dies deshalb, weil die Wirksamkeit der Sauerstoffentfernung im Allgemeinen mit zunehmender Tiefe der geleerten Zone abnimmt, weil der Abstand zunimmt, über den der Zwischengittersauerstoff wandern muss, um aus der Lösung (entweder durch Fällung an einem BMD oder durch Diffusion an die Waferoberfläche) entfernt zu werden. Wenn als Ergebnis eine geleerte Zone zu tief oder dick wird, besteht die Möglichkeit, dass die erhöhte Zwischengittersauerstoffkonzentration in dem Zentrum dieser Zone (Zwischengittersauerstoff nahe der Oberfläche und dem Volumen des Wafers mit genügend Zeit, an Orte zu diffundieren, wo sie verbraucht werden) genügend hoch ist, so dass während eines Verfahrens zur Bauteilherstellung eine thermische Donatorbildung auftritt, so dass der spezifische Widerstand in der Bauelementschicht des Wafers abnimmt. Dies kann besonders problematisch bei Wafern mit tiefen entleerten Zonen und Sauerstoffkonzentrationen von mehr als etwa 10 PPMA sein.
WO 98/45507 beschreibt einen Einkristall-Siliziumwafer, der während der Wärmebehandlungszyklen des Herstellungsverfahrens praktisch jedes elektronische Bauteils eine ideale, ungleichmäßige Tiefenverteilung von Kristallgitterleerstellen bildet, wobei die Leerstellenkonzentration in der Volumenschicht größer als die Leerstellenkonzentration in der Oberflächenschicht ist und die Leerstellen ein Konzentrationsprofil haben, bei dem die höchste Leerstellendichte an oder in der Nähe einer Mittelebene ist mit im Allgemeinen abnehmender Konzentration von der Lage höchster Dichte in der Richtung einer Vorderseite des Wafers. Bei einer Ausführungsform ist der Wafer ferner dadurch gekennzeichnet, dass er einen ersten axialsymmetrischen Bereich hat, in dem Leerstellen die überwiegende Eigenpunktfehlstelle sind und der im Wesentlichen frei von agglomerierten Eigenpunktfehlstellen ist, wobei der erste axialsymmetrische Bereich eine Mittelachse enthält oder eine Breite von wenigstens etwa 15 mm hat. Bei einer anderen Ausführungsform ist der Wafer ferner dadurch gekennzeichnet, dass er einen axialsymmetrischen Bereich hat, der im Wesentlichen frei von agglomerierten Eigenpunktfehlstellen ist, wobei der axialsymmetrische Bereich sich von einem Umfangsrand des Wafers radial nach innen erstreckt und eine von dem Umfangsrand radial zu einer Mittelachse gemessene Breite hat, die wenigstens etwa 40% der Länge eines Waferradius ist.
SUMMARISCHER ABRISS DER ERFINDUNG
Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Wafer geschaffen, der aus einem nach der Czochralski-Methode gezüchteten Einkristallsiliziumblock geschnitten ist, mit
einer Vorderseite, einer Rückseite, einer gedachten Mittelebene in etwa gleichem Abstand von der Vorder- und Rückseite, einer Vorderseitenansicht mit einem Waferbereich zwischen der Vorderseite und einer von der Vorderseite zu der Mittelebene gemessenen Entfernung D₁ und einer Volumenschicht, die die gedachte Mittelebene, aber nicht die Vorderseitenschicht umfasst, und
einer ungleichmäßigen Konzentration von Kristallgitterleerstellen mit einer Maximalkonzentration in der Volumenschicht an der Mittelebene, wobei die Leerstellenkonzentration im Allgemeinen in der Richtung der Vorderseite und der Rückseite des Wafers abnimmt,
dadurch gekennzeichnet, dass (i) D₁ wenigstens 5 Mikron, aber weniger als 30 Mikron beträgt und (ii) nach Unterwerfung einer Sauerstoffausfällungs-wärmebehandlung bei einer Temperatur oberhalb etwa 700°C die Oberflächenschicht weniger als 1 × 10⁷ cm^–3 Sauerstoffniederschläge und eine Sauerstoffzwischengitterkonzentration von weniger als 10 PPMA hat und die Volumenschicht mehr als etwa 1 × 10⁷ cm^–3 Sauerstoffniederschläge hat.
Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren geschaffen zur Herstellung eines Siliziumwafers, der aus einem nach der Czochralski-Methode gezüchteten Einkristallsiliziumblock geschnitten wird und eine Vorderseite, eine Rückseite, eine gedachte Mittelebene in etwa gleichem Abstand zwischen der Vorder- und Rückseite, eine Vorderseitenschicht mit einem Waferbereich zwischen der Vorderseite und einer Entfernung D₁, die von der Vorderseite zu der Mittelebene gemessen größer als 5 Mikron aber kleiner als 30 Mikron ist, und eine Volumenschicht hat, die die gedachte Mittelebene, aber nicht die Vorderseitenschicht umfasst, bei dem man
den Einkristallsiliziumwafer in einer Atmosphäre wärmebehandelt, die ein Inertgas, ein Stickstoff enthaltendes Gas in einer Konzentration in der Atmosphäre von wenigstens etwa 1% und ein Sauerstoff enthaltendes Gas in einer Konzentration in der Atmosphäre von wenigstens 1 PPMA und weniger als etwa 500 PPMA enthält, um in der Vorderseitenschicht und in der Volumenschicht Kristallgitterleerstellen zu bilden,
den wärmebehandelten Wafer zur Erzeugung einer ungleichmäßigen Konzentration von Kristallgitterleerstellen darin abkühlt, wobei die Konzentration der Kristallgitterleerstellen in der Volumenschicht größer als die in der Oberflächenschicht ist, und
den abgekühlten Wafer bei einer Temperatur oberhalb etwa 700°C einer Sauerstoffausfällungswärmebehandlung unterzieht, um einen Wafer zu bilden, der eine sich mit der Vorderseitenschicht deckende, geleerte Zone und Sauerstoffniederschläge innerhalb der Volumenschicht hat.
Andere Aufgaben und Merkmale dieser Erfindung werden nachfolgend teils offensichtlich und teils näher ausgeführt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine schematische Abbildung des vorliegenden Verfahrens, bei dem ein Siliziumwafer thermisch geglüht (S1) und schnell abgekühlt (S2) wird, um eine ungleichmäßige Verteilung von Kristallgitterleerstellen zu erhalten, und dann einer Sauerstoffausfällungswärmebehandlung (S3) unterworfen wird, um einen Wafer mit einer geleerten Zone von gewünschter Tiefe zu erhalten.
2 ist eine graphische Abbildung der Volumenniederschlagsdichte eines Wafers gegen die sekundäre Glühtemperatur für drei verschiedene Sauerstoffbereiche als Funktion der Glühzeit.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ein Einkristallsiliziumwafer mit im Wesentlichen durch das Czochralski-Wachstumsverfahren erreichbarem Sauerstoffgehalt kann erfindungsgemäß einer thermischen Behandlung und schnellen Abkühlung in einer kontrollierten, Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre unterworfen werden, um einen Wafer mit einer ungleichmäßigen Verteilung von Kristallgitterleerstellen zu erhalten, die eine Matrize zur Sauerstoffausfällung in einer anschließenden Sauerstoffausfällungswärmebehandlung erstellen.
Die Matrize ermöglicht die Bildung einer relativ dünnen, geleerten Zone (z.B. weniger als etwa 30 Mikron) in einem oberflächennahen Bereich des Wafers und von Sauerstoffniederschlägen in dem Wafervolumen. Die vorliegende Erfindung ist besonders vorteilhaft, weil sie die wirksame und zuverlässige Produktion von Siliziumwafern erlaubt, die nach im Wesentlichen jedem Verfahren zur Herstellung elektronischer Bauteile diese dünnen geleerten Zonen haben.
A. Ausgangsmaterial
Bei einer Ausführungsform ist das Ausgangsmaterial für den Wafer der vorliegenden Erfindung ein Siliziumwafer, der aus einem Einkristallblock geschnitten wurde, der nach den herkömmlichen Czochralski(„CZ")-Kristallwachstumsverfahren gezüchtet wurde und typischerweise einen Durchmesser von etwa 150 mm, 200 mm, 300 mm oder mehr hat. Der Wafer kann poliert oder alternativ gelappt und geätzt, aber nicht poliert sein. Diese Methoden sowie Standardtechniken des Schneidens, Lappens, Ätzens und Polierens von Silizium sind z.B. in F. Shimura, Semiconductor Silicon Crystal Technology, Academic Press, 1989 und Silicon Chemical Etching, (J. Grabmaier Herausg.) Springer-Verlag, New York, 1982, (hier durch Bezugnahme eingefügt) beschrieben. Vorzugsweise werden die Wafer nach den Fachleuten bekannten Standardmethoden poliert und gereinigt. Siehe zum Beispiel W.C. O'Mara et al., Handbook of Semiconductor Silicon Technology, Noyes Publications.
Im Allgemeinen kann der Ausgangswafer eine Sauerstoffkonzentration haben, die irgendwo in den Bereich fällt, der durch das CZ-Verfahren erreichbar ist und typischerweise etwa 5 × 10¹⁷ bis etwa 9 × 10¹⁷ Atome/cm³ oder etwa 10 bis etwa 18 PPMA ist (z. B. etwa 10 bis etwa 12 oder 15 PPMA nach Bestimmung gemäß ASTM-Eichung; O_i = 4,9α, wobei α der Absorptionskoeffizient des Absorptionsbandes 1107 cm^–1 ist; neuer ASTM-Standard F-121-83). Ferner hat der Ausgangswafer vorzugsweise keine stabilisierten Sauerstoffniederschläge (d. h. Sauerstoffniederschläge, die bei einer Temperatur von etwa 1.200°C oder weniger nicht gelöst oder aus dem Wafer ausgeglüht werden können) in dem oberflächennahen Bereich des Wafers.
Substitutionskohlenstoff hat bei Anwesenheit als Verunreinigung in Einkristallsilizium die Eigenschaft, die Bildung von Sauerstoffniederschlag-Keimbildungszentren zu katalysieren. Aus diesem und anderen Gründen wird daher das Einkristallsilizium-Ausgangsmaterial mit einer niedrigen Kohlenstoffkonzentration bevorzugt. D. h. das Einkristallsilizium hat vorzugsweise eine Kohlenstoffkonzentration, die kleiner als etwa 5 × 10¹⁶ Atome/cm³, vorzugsweise kleiner als 1 × 10¹⁶ Atome/cm³ und insbesondere kleiner als 5 × 10¹⁵ Atome/cm³ ist.
B. Schaffung einer Matrize zur Sauerstoffausfällung
Im Allgemeinen wird eine schnelle thermische Behandlung durchgeführt, um eine Verteilung von Kristallgitterleerstellen zu bilden, die eine Matrize zur Sauerstoffausfällung in dem Wafer erstellen. Bei einer Ausführungsform ist die Matrize für einen Wafer mit Sauerstoffniederschlägen in dem Wafervolumen aber mit einer geringen Dichte und vorzugsweise praktischen Abwesenheit von Sauerstoffniederschlägen in einem oberflächennahen Seeich; vorzugsweise können Leerzonen jeder gewünschten Tiefe erhalten werden. Beispielsweise können Leerzonentiefen von 70 Mikrometer, 50 Mikrometer, 30 Mikromter, 20 Mikrometer oder sogar 10 Mikrometer oder weniger verlässlich und reproduzierbar erhalten werden.
Die Anwendung eines schnellen thermischen Verfahrens zur Bildung einer Verteilung von Kristallgitterleerstellen, die ihrerseits eine Matrize für die Sauerstoffausfällung erstellen, ist allgemein in Falster et al., US-Patente Nr. 5,994,761 , 6,191,010 und 6,180,220 beschrieben. Das dort beschriebene „ideale Ausfällungsverfahren" liefert eine ungleichmäßige Kristallgitterleerstellenverteilung, bei der die Konzentration in dem Wafervolumen höher als in einer Oberflächenschicht ist. Bei einer folgenden Sauerstoffausfällungswärmebehandlung bildet die hohe Leerstellenkonzentration in dem Wafervolumen Sauerstoffniederschlagskeimbildungszentren, die die Bildung und das Wachstum von Sauerstoffniederschlägen unterstützen, während die Leerstellenkonzentration in dem oberflächennahen Bereich hierzu nicht ausreichend ist. Im Ergebnis bildet sich in dem oberflächennahen Bereich eine geleerte Zone, und in dem Wafervolumen bilden sich Sauerstoffniederschläge, die manchmal als Volumen-Mikrofehlstellen oder einfach BMDs bezeichnet werden. Wie hier beschrieben können Leerzonen einer Tiefe in dem Bereich von 50 bis 70 Mikron zuverlässig gebildet werden.
Leerzonen solcher Tiefe können jedoch nicht immer von Vorteil sein. Im Allgemeinen nimmt z.B. die Wirksamkeit der Sauerstoffentfernung mit wachsender Leerzonentiefe ab, weil die Entfernung zunimmt, über die der Zwischengittersauerstoff zu seiner Entfernung aus der Lösung (entweder durch Ausfällung an einer BMD oder durch Diffusion zu der Waferoberfläche) wandern muss. Sobald im Ergebnis eine Leerzone zu tief oder dick wird (z.B. größer als etwa 30 Mikron) besteht die Möglichkeit, dass die erhöhte Zwischengittersauerstoffkonzentration in der Mitte dieser Zone (Zwischengittersauerstoff nahe der Oberfläche und dem Volumen des Wafers hat genügend Zeit zur Diffusion an Orte, wo er verbraucht wird) genügend hoch ist, so dass während eines Bauelementherstellungsverfahrens thermische Donatorbildung erfolgt.
Die thermische Donatorbildung ist z.B. bei Anwendungsfällen mit hohem spezifischem Widerstand (das sind Anwendungen, die spezifische Widerstände über etwa 50 Ohm·cm erfordern) nicht günstig, weil die thermischen Donatoren eine Abnahme des spezifischen Widerstandes in der Bauelementschicht des Wafers bewirken. Dies kann bei „idealen Ausfällungswafern" mit Sauerstoffkonzentrationen über etwa 10 PPMA besonders problematisch sein. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist daher die Steuerung der Tiefe der Leerzone, die ihrerseits die Wirksamkeit der Sauerstoffentfernung in einer nachfolgenden Sauerstoffausfällungswärmebehandlung beeinflusst.
Die Konzentration (Anzahldichte) der Sauerstoffausfällungsorte beinflusst auch die Wirksamkeit der Sauerstoffentfernung während einer Sauerstoffausfällungswärmebehandlung, wobei die Wirksamkeit der Sauerstoffentfernung als Funktion einer zunehmenden Konzentration der Orte zunimmt. Die Konzentration der Orte wächst mit Vorteil funktionell mit zunehmender Temperatur der schnellen thermischen Glühung; für alle praktischen Zwecke ist die Konzentration der Orte im Wesentlichen unabhängig von der Sauerstoffkonzentration (über den mit den CZ-Verfahren erreichbaren Bereich der Sauerstoffkonzentrationen) und der Zeit. Anders gesagt, kann die Konzentration der Ausfällungsorte einfach dadurch gesteigert werden, dass man die Temperatur der schnellen thermischen Glühung erhöht, und da man einen schnellen Thermoglüher benutzt, ist die zur Erreichung höherer Temperaturen erforderliche Zusatzzeit nur eine Sache von Sekunden.
Die thermische Donatorbildung in der Leerzone bei einem nachfolgenden Bauelement-Herstellungsverfahren kann demgemäß zum Teil durch Wahl der Temperatur der schnellen thermischen Glühung (die die Konzentration der Sauerstoffausfällungsorte bestimmt) und durch die Dicke der Leerzone gesteuert werden, die sich in einer folgenden Sauerstoffausfällungswärmebehandlung bildet. Wie weiter unten im Einzelnen beschrieben wird, ermöglicht die vorliegende Erfindung eine Steuerung der Dicke der Leerzone zum Teil durch die Zusammensetzung der für die schnelle Thermoglühstufe ausgewählten Umgebung und die Abkühlungsgeschwindigkeit von der Temperatur der schnellen Thermoglühung auf die Temperaturen, bei denen Kristallgitterleerstellen praktisch unbeweglich sind. Die Bedingungen der Thermobehandlung und Kühlung werden gesteuert, um eine Matrize für die Bildung einer dünnen oder flachen Leerzone (z.B. einer Leerzone von weniger als etwa 30 Mikron) zu schaffen. Dadurch, dass man eine dünne Leerzone erhalten kann, hat das vorliegende Verfahren vorteilhafterweise die Wirkung, die Lage des Zwischengittersauerstoffs darin in großer Nähe zu dem Wafervolumen und der Waferoberfläche anzuordnen, wo er schließlich verbraucht werden kann.
Das Ausgangsmaterial für das vorliegende Verfahren ist unter Bezugnahme nunmehr auf 1 ein Einkristallsiliziumwafer 1 mit einer Vorderseite 3, einer Rückseite 5, einer gedachten Mittelebene 7 zwischen der Vorder- und Rückseite und einer Volumenschicht 9, die das Wafervolumen zwischen der Vorderseite und Rückseite umfasst. Die Bezeichnungen „Vorderseite" und „Rückseite" dienen in diesem Zusammenhang zur Unterscheidung der zwei im Allgemeinen ebenen Hauptoberflächen des Wafers. Die Vorderseite des Wafers ist nach dieser Bezeichnung nicht notwendigerweise die Oberfläche, auf der später ein elektronisches Bauelement hergestellt wird, noch ist nach der hier gewählten Benutzung der Bezeichnung die Rückseite des Wafers notwendigerweise die Hauptoberfläche des Wafers, die der Oberfläche abgewandt ist, auf der das elektronische Bauelement hergestellt wird. Da Siliziumwafer typischerweise eine gewisse Variation der gesamten Dicke haben, können Werfung und Biegung, der Mittelpunkt zwischen jedem Punkt auf der Vorderseite und jedem Punkt auf der Rückseite nicht genau in eine Ebene fallen. Praktisch sind jedoch die TTV, Werfung und Biegung typischerweise so gering, dass man sagen kann, dass die Mittelpunkte mit großer Annäherung in eine gedachte Mittelebene fallen, die etwa gleich weit von der Vorderseite und Rückseite entfernt ist.
In Stufe S₁ des Verfahrens wird der Siliziumwafer 1 im Allgemeinen einer Wärmebehandlungsstufe unterworfen, in der der Wafer auf eine erhöhte Temperatur erhitzt wird, um in dem Wafer 1 die Anzahldichte der Kristallgitterleerstellen 11 zu bilden und dadurch zu erhöhen. Vorzugsweise wird diese Wärmebehandlungsstufe in einem schnellen Thermoglüher durchgeführt, in dem der Wafer schnell auf eine Zieltemperatur erhitzt und eine relativ kurze Zeitdauer bei dieser Temperatur geglühlt wird. Im Allgemeinen wird der Wafer einer Temperatur von über 1175°C, typischerweise wenigstens etwa 1200°C und bei einer Ausführungsform einer Temperatur zwischen etwa 1200°C und 1300°C unterworfen. Der Wafer wird im Allgemeinen wenigstens 1 Sekunde typischerweise wenigstens mehrere (z.B. wenigstens 3, 5 usw.) Sekunden oder sogar mehrere 10 (z.B. wenigstens 20, 30, 40 usw.) Sekunden und je nach den gewünschten Eigenschaften des Wafers und der Atmospäre, in der der Wafer geglüht wird, eine Zeitdauer gehalten, die bis zu etwa 60 Sekunden (die in der Nähe der Grenze für im Handel erhältliche schnelle Thermoglüher liegen) reichen kann.
Nach Beendigung der schnellen Thermoglühstufe wird der Wafer in Stufe S2 schnell durch den Temperaturbereich abgekühlt, in dem Kristallgitterleerstellen in Einkristallsilizium relativ beweglich sind, wobei die Leerstellen in Silizium typischerweise bis herab zu Temperaturen oberhalb etwa 700°C, 800°C, 900°C oder sogar 1000°C innerhalb einer wirtschaftlich praktikablen Zeit dauer beweglich sind. Wenn die Wafertemperatur durch diesen Temperaturbereich abgesenkt wird, rekombinieren einige Leerstellen mit Siliziumeigenzwischengitteratomen und andere diffundieren zur Vorderseite 3 und Rückseite 5, was zu einer Änderung des Leerstellenkonzentrationsprofils führt, wobei das Ausmaß der Änderung von der Zeitdauer abhängt, in der der Wafer auf einer Temperatur in diesem Bereich gehalten wird. Wenn der Wafer langsam abgekühlt würde, würde die Leerstellenkonzentration wiederum in dem Wafervolumen 9 im Wesentlichen gleichmäßig werden, wobei die Konzentration ein Gleichgewichtswert ist, der wesentlich kleiner als die Konzentration der Kristallgitterleerstellen unmittelbar nach Beendigung der Wärmebehandlungsstufe ist.
Wie hier beschrieben kann jedoch durch schnelle Abkühlung des Wafers alleine oder in Verbindung mit der Steuerung der Umgebung, in der der Wafer wärmebehandelt und abgekühlt wird, eine ungleichmäßige Verteilung der Kristallgitterleerstellen erreicht werden, wobei die Konzentration in dem Wafervolumen größer als die Konzentration in einem oberflächennahen Bereich ist. Die Verfahrensbedingungen (z.B. die Abkühlungsgeschwindigkeit) können z.B. so gesteuert werden, dass die maximale Leerstellenkonzentration in einem Abstand von wenigstens etwa 20 Mikrometern, 30 Mikrometern, 40 Mikrometern, 50 Mikrometern oder mehr von der Waferoberfläche vorliegt. Bei einer Ausführungsform ist die maximale Leerstellenkonzentration an oder in der Nähe einer Mittelebene 7, wobei die Leerstellenkonzentration im Allgemeinen in der Richtung der Vorderseite 3 und der Rückseite 5 des Wafers abnimmt. Bei einer zweiten Ausführungsform liegt die maximale Leerstellenkonzentration zwischen der Mittelebene 7 und einer Schicht oder einem Bereich in der Nähe der Oberfläche 3 und/oder 5 des Wafers (wie hier näher beschrieben), wobei die Konzentration im Allgemeinen in der Richtung der Oberfläche und der Mittelebene abnimmt.
Im Allgemeinen ist die mittlere Abkühlungsgeschwindigkeit in dem Temperaturbereich, in dem Leerstellen beweglich sind, wenigstens etwa 5°C je Sekunde, während bei einigen Ausführungsformen die Geschwindigkeit vorzugsweise wenigstens etwa 20°C je-Sekunde, 50°C je Sekunde, 100°C je Sekunde oder mehr beträgt, wobei in einigen Fällen Abkühlungsgeschwindigkeiten in dem Bereich von etwa 100°C bis etwa 200°C je Sekunde besonders bevorzugt sind. In dieser Hinsicht ist zu bemerken, dass nach Abkühlung des Wafers auf eine Temperatur außerhalb des Temperaturbereichs, in dem Kristallgitterleerstellen in dem Einkristallsilizium relativ beweglich sind, die Abkühlungsgeschwindigkeit die Ausfällungseigenschaften des Wafers anscheinend nicht signifikant beeinflusst und somit anscheinend nicht in engen Grenzen kritisch ist.
Die schnelle Thermoglühstufe und die Kühlstufe können z.B. in irgendeinem aus einer Reihe im Handel erhältlicher Schnellthermoglüh(„RTA")öfen durchgeführt werden, in denen Wafer individuell durch Batterien von Hochleistungslampen erhitzt werden. RTA-Öfen können Siliziumwafer schnell, z.B. in wenigen Sekunden von Raumtemperatur auf etwa 1200°C erhitzen. Wie weiter unten beschrieben wird, können sie ferner benutzt werden, um den Wafer in einer Reihe unterschiedlicher Umgebungen oder Atmosphären einschließlich solcher mit Sauerstoff (z.B. elementarem Sauerstoffgas, pyrogenem Wasserdampf usw.), Stickstoff (z.B. elementarem Stickstoffgas oder einem stickstoffhaltigen Verbindungsgas, wie Ammoniak), einem sauerstoff- und stickstofffreien Gas (z.B. einem Inertgas wie Helium oder Argon) oder einem Gemisch oder einer Kombination daraus zu glühen und abzukühlen.
Nach einer Wärmebehandlungsstufe S₃ zur Sauerstoffausfällung, in der der Wafer z.B. wenigstens etwa 2 Stunden bei einer Temperatur von etwa 800°C und dann etwa 16 Stunden bei einer Temperatur von etwa 1000°C in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre geglüht wird, ist die resultierende Tiefenverteilung der Sauerstoffniederschläge in dem Wafer durch klare Bereiche aus Sauerstoffniederschlag-freiem Material 13 und 13' (niederschlagfreie Zonen oder „Leerzonen") gekennzeichnet, die sich von der Vorderseite 3 und der Rückseite 5 in eine Tiefe t bzw. t' erstrecken. Zwischen Sauerstoffniederschlag-freien Bereichen ist eine Ausfällungszone 15, die z.B. (i) in einer ersten Ausführungsform (die der oben beschriebenen ersten Ausführungsform des Leerstellenkonzentrationsprofils entspricht) eine im Wesentlichen gleichmäßige Dichte von Sauerstoffniederschlägen in dem Wafervolumen enthält oder (ii) in einer zweiten Ausführungsform (die der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform des Leerstellenkonzentrationsprofils entspricht) ein Sauerstoffniederschlagsprofil enthält, bei dem die maximale Dichte zwischen einer Oberflächenschicht und der Mittelebene ist. Im Allgemeinen ist die Dichte der Niederschläge größer als etwa 10⁸ und kleiner als etwa 10¹¹ Niederschläge/cm³, wobei Niederschlagsdichten von etwa 5 × 10⁹ oder 5 × 10¹⁰ bei einigen Ausführungsformen typisch sind.
Die Tiefen t, t' von der Vorderseite bzw. Rückseite der Zonen 13 und 13' aus sauerstoffniederschlagsfreiem Material (Leerzonen) sind teilweise eine Funktion der Abkühlungsgeschwindigkeit in dem Temperaturbereich, in dem Kristallgitterleerstellen in Silizium relativ beweglich sind. Im Allgemeinen nimmt die Tiefe t, t' mit abnehmenden Abkühlungsgeschwindigkeiten ab, wobei Leerzonentiefen von etwa 10, 20, 30, 40, 50 Mikron oder mehr (z.B. 70, 80, 90, 100) erreichbar sind. Die für flache Leerzonentiefen erforderliche Abkühlungsgeschwindigkeit ist in der Praxis jedoch etwas extrem, und der Wärmeschock kann eine Gefahr der Zertrümmerung des Wafers heraufbeschwören. Daher kann die Dicke der Leerzone alternativ durch Auswahl der Umgebung gesteuert werden, in der der Wafer geglüht wird, während dieser mit einer weniger extremen Geschwindigkeit abkühlen gelassen wird. Anders gesagt kann bei einer gegebenen Abkühlungsgeschwindigkeit eine Umgebung ausgewählt werden, die eine Matrize für eine tiefe Leerzone (z.B. 50+ Mikron), mittlere Leerzonen (z.B. 30-50 Mikron), flache Leerzonen (z.B. weniger als etwa 30 Mikron) oder sogar keine Leerzone schafft. Die bisherige Erfahrung zeigt:

1. Wenn ein keinen Stickstoff und keinen Sauerstoff ent haltendes Gas als Atmosphäre oder Umgebung in der schnellen thermischen Glühstufe und der Abkühlungsstufe dient, wird die Zunahme der Leerstellenkonzentration in dem Wafer beinahe, wenn nicht unmittelbar nach Erreichung der Glühtemperatur erreicht. Das Profil der resultierenden Leerstellenkonzentration (Anzahldichte) in dem abgekühlten Wafer ist von der Vorderseite zu der Rückseite des Wafers relativ konstant. Das Halten des Wafers für weitere Zeit auf einer eingestellten Temperatur während der Glühung scheint aufgrund der bisher erhaltenen experimentellen Unterlagen nicht zu einer Zunahme der Leerstellenkonzentration zu führen. Geeignete Gase sind Argon, Helium, Neon, Kohlendioxid und andere solche inerten elementaren Gase und Verbindungsgase oder Gemische solcher Gase.
2. Wenn eine stickstoffhaltige Atmosphäre oder Umgebung als Atmosphäre bei der thermischen Glühstufe und der Kühlstufe der ersten Ausführungsform dient, scheint die Leerstellenkonzentration bei einer eingestellten Glühtemperatur als Funktion der Zeit zuzunehmen. Der resultierende Wafer hat ein Leerstellenkonzentrationsprofil (Anzahldichte), das über einen Waferquerschnitt im Allgemeinen „U-förmig" ist. D. h. nach Abkühlung tritt eine Maximalkonzentration an oder innerhalb mehrerer Mikrometer von der Vorderseite und Rückseite und eine relativ konstante und geringere Konzentration in dem Wafervolumen auf. Daher nähert sich die bei einer Sauerstoffausfällungswärmebehandlung gebildete Tiefe einer Leerzone dem Wert Null. Neben Stickstoffgas (N₂) sind Stickstoff enthaltende Gase, wie Ammoniak zur Verwendung geeignet.
3. Wenn die Atmosphäre oder Umgebung in der schnellen thermischen Glühstufe und der Kühlstufe Sauerstoff enthält oder wenn sie insbesondere Sauerstoffgas (O₂) oder ein Sauerstoff enthaltendes Gas (z.B. pyrogener Wasserdampf) in Kombination mit einem Stickstoff enthaltenden Gas, einem Inertgas oder beiden enthält, wird das Leerstellenkonzentrationsprofil in dem oberflächennahen Bereich beeinflusst. Die bisherigen experimentellen Unterlagen zeigen, dass das Leerstellenkonzentrationsprofil eines oberflächennahen Bereichs in einem umgekehrten Verhältnis zu der Konzentration des atmosphärischen Sauerstoffs steht. Ohne Festlegung auf eine bestimmte Theorie wird allgemein angenommen, dass bei genügender Konzentration eine Glühung in Sauerstoff zu der Oxidation der Siliziumoberfläche führt und infolgedessen ein Einwärtsfluss von Siliziumeigenzwischengitteratomen geschaffen wird. Der Fluss von Siliziumzwischengitteratomen wird durch die Oxidationsgeschwindigkeit gesteuert, die ihrerseits durch den Sauerstoffpartialdruck in der Umgebung ge steuert werden kann. Dieser Einwärtsfluss von Eigenzwischengitteratomen hat die Wirkung, dass sich das Leerstellenkonzentrationsprofil allmählich dadurch ändert, dass beginnend an der Oberfläche und sich dann einwärts bewegend das Auftreten von Rekombinationen veranlasst wird, wobei die Geschwindigkeit der Einwärtsbewegung mit wachsendem Sauerstoffpartialdruck zunimmt. Wenn während der Wärmebehandlung (S₁) und der Kühlung (S₂) in der Umgebung Sauerstoff in Kombination mit einem Stickstoff enthaltenden Gas zur Anwendung kommt, kann ein „M-förmiges" Leerstellenprofil erhalten werden, wobei die maximale oder höchste Leerstellenkonzentration in dem Wafervolumen zwischen der Mittelebene und einer Oberflächenschicht vorliegt (wobei die Konzentration im Allgemeinen in jeder Richtung abnimmt). Ein solches Profil kann andererseits dadurch erhalten werden, dass man nach Abkühlung des U-förmigen Profils (wie zuvor oben beschrieben) zuerst den Wafer in einer nitrierenden oder Stickstoff enthaltenden Umgebung und dann in einer oxidierenden oder Sauerstoff enthaltenden Umgebung wärmebehandelt, wobei das Profil durch den Einwärtsfluss von Zwischengitteratomen M-förmig wird.

Infolge der Anwesenheit von Sauerstoff in der Umgebung kann ein Bereich niedriger Leerstellenkonzentration geschaffen werden, der im Anschluss an eine Sauerstoffausfällungswärmebehandlung seinerseits zur Bildung einer Leerzone von beliebiger Tiefe führt, die für eine spezielle Endverwendung eines Bauelements geeignet ist, das aus dem Siliziumwafer hergestellt werden soll.
Bei einer Ausführungsform enthält die Atmosphäre bei dem Verfahren mit den Stufen der schnellen Thermoglühung und Abkühlung typischerweise einen ausreichenden Sauerstoffpartialdruck, um eine Leerzonentiefe von weniger als etwa 30 Mikron und vorzugsweise eine Leerzonentiefe in dem Bereich von mehr als etwa 5 Mikron bis weniger als etwa 30 Mikron, von etwa 10 Mikron bis etwa 25 Mikron oder von etwa 15 Mikron bis etwa 20 Mikron zu erhalten. Insbesondere werden die Glüh- und Kühlstufe des vorliegenden Verfahrens typischerweise in einer Atmosphäre durchgeführt, die (i) ein Stickstoff enthaltendes Gas (z.B. N₂), (ii) ein keinen Sauerstoff und keinen Stickstoff enthaltendes Gas (z. B. Argon, Helium, usw.) oder (iii) ein Gemisch daraus und (iv) ein Sauerstoff enthaltendes Gas (z.B. O₂ oder pyrogenen Wasserdampf) enthält, wobei die Atmosphäre einen ausreichenden Sauerstoffpartialdruck hat, um einen Einwärtsfluss von Zwischengitteratomen zu schaffen (z.B. wenigstens etwa 1 PPMA, 5 PPMA, 10 PPMA oder mehr, aber weniger als etwa 500 PPMA, vorzugsweise weniger als etwa 400 PPMA, 300 PPMA, 200 PPMA, 150 PPMA oder sogar 100 PPMA und bei einigen Ausführungsformen vorzugsweise weniger als etwa 50, 40, 30, 20 oder sogar 10 PPMA). Wenn ein Gemisch aus einem Stickstoff enthaltenden und einem keinen Stickstoff und keinen Sauerstoff enthaltenden Gas mit dem oxidierenden Gas eingesetzt wird, kann das Verhältnis der zwei (d. h. Stickstoff enthaltendes Gas zu Inertgas) in dem Bereich von etwa 1:10 bis etwa 10:1, von etwa 1:5 bis etwa 5:1, von etwa 1:4 bis etwa 4:1, von etwa 1:3 bis etwa 3:1 oder von etwa 1:2 bis etwa 2:1 liegen, wobei Verhältnisse von Stickstoff enthaltendem Gas zu Inertgas von etwa 1:5, 1:4, 1:3, 1:2 oder 1:1 bei einigen Ausführungsformen bevorzugt werden. Wenn anders gesagt ein solches gasförmiges Gemisch als Atmosphäre für die Glüh- und Kühlstufe dient, kann die Konzentration des Stickstoff enthaltenden Gases darin in dem Bereich von etwa 1% bis weniger als etwa 100%, von etwa 10% bis etwa 90%, von etwa 20% bis etwa 80% oder von etwa 40% bis etwa 60% liegen.
In dieser Hinsicht ist zu bemerken, dass die genauen Bedingungen für die Glüh- und Kühlstufe anders als hier beschrieben sein können, ohne dass der Umfang der vorliegenden Erfindung verlassen wird. Ferner können diese Bedingungen z.B. empirisch dadurch bestimmt werden, dass man die Temperatur und Dauer der Glühung und die atmosphärischen Bedingungen (d. h. die Zusammensetzung der Atmosphäre sowie den Sauerstoffpartialdruck) einstellt, um die gewünschte Tiefe von t und/oder t' zu optimieren.
Ungeachtet des genauen Profils kann man sagen, dass der erfindungsgemäße Wafer eine Matrize zur Sauerstoffausfällung besitzt, die für Anwendungen gut geeignet ist, die einen Siliziumwafer mit einer dünnen oder flachen Leerzone erfordern. In Bereichen hoher Leerstellenkonzentration, d. h. nämlich in dem Wafervolumen ballt sich Sauerstoff schnell zusammen, wenn der Wafer einer Sauerstoffausfällungswärmebehandlung unterzogen wird. In den Bereichen niedriger Leerstellenkonzentration, d. h. in den oberflächennahen Bereichen verhält sich der Wafer jedoch wie ein normaler Wafer ohne vorexistierende Sauerstoffniederschlag-Keimbildungszentren, wenn der Wafer dieser Sauerstoffausfällungswärmebehandlung unterworfen wird. D. h. Sauerstoffzusammenballung wird nicht beobachtet, und es tritt etwa Ausdiffusion von Sauerstoff auf. Wenn die Temperatur über 800°C erhöht wird oder die Temperatur konstant bleibt, wachsen die Zusammenballungen in der leerstellenreichen Zone zu Niederschlägen und werden dadurch verbraucht. Durch Unterteilung des Wafers in verschiedene Leerstellenkonzentrationszonen wird in wirksamer Weise eine Matrize geschaffen, durch die eine Sauerstoffniederschlagsmuster geschrieben wird, das in dem Augenblick fixiert wird, in dem der Wafer zur Sauerstoffausfällungswärmebehandlung in den Ofen geladen wird.
In dieser Hinsicht ist zu bemerken, dass das Wafervolumen eine im Wesentlichen gleichmäßige Sauerstoffkonzentration als Funktion der Tiefe von der Siliziumoberfläche hat, obgleich die Wärmebehandlungen in dem schnellen Thermoglühverfahren zu der Ausdiffusion kleiner Sauerstoffmengen von der Oberfläche der Vorder- und Rückseite des Wafers führen können. Der Wafer hat z. B. eine gleichmäßige Sauerstoffkonzentration von der Wafermitte zu den Waferbereichen, die innerhalb etwa 15 Mikrometer von der Siliziumoberfläche sind, insbesondere von der Mitte des Siliziums zu den Waferbereichen, die innerhalb etwa 10 Mikrometer von der Siliziumoberfläche liegen, und noch bevorzugter von der Mitte des Siliziums zu Waferbereichen, die innerhalb etwa 5 Mikrometer, insbesondere innerhalb 3 Mikrometer von der Siliziumoberfläche entfernt sind. In diesem Zusammenhang soll eine im Wesentlichen gleichmäßige Sauerstoffkonzentration eine Streuung der Sauerstoffkonzentration von nicht mehr als etwa 50%, vorzugsweise nicht mehr als etwa 20% und insbesondere nicht mehr als etwa 10% bedeuten.
In dieser Hinsicht ist ferner zu bemerken, dass eine Leerzone im Allgemeinen eine Zone in dem oberflächennahen Bereich eines Wafers ist, die (i) keine Sauerstoffniederschläge oberhalb der gegenwärtigen Erfassungsgrenze (gegenwärtig etwa 10⁷ Sauer stoffniederschläge/cm³) hat und (ii) eine niedrige Konzentration von Sauerstoffausfällungszentren hat und vorzugsweise im Wesentlichen frei von Sauerstoffausfällungszentren ist, die bei einer Sauerstoffausfällungswärmebehandlung zu Sauerstoffniederschlägen umgewandelt werden. Die Anwesenheit (oder Dichte) von Sauerstoffniederschlagskeimbildungszentren kann mit den gegenwärtig verfügbaren Verfahren nicht direkt gemessen werden. Sie können jedoch indirekt gemessen werden, wenn sie stabilisiert werden und Sauerstoffniederschläge an diesen Stellen dadurch wachsen, dass man das Silizium einer Sauerstoffausfällungswärmebehandlung unterzieht. Silizium mit einer niedrigen Dichte von Sauerstoffniederschlagskeimbildungszentren soll daher hier Silizium bedeuten, das nach Glühung bei einer Temperatur von 800°C für vier Stunden und dann bei einer Temperatur von 1000°C für sechszehn Stunden weniger als etwa 10⁸ Sauerstoffniederschläge/cm³ hat. Desgleichen soll Silizium im Wesentlichen ohne Sauerstoffniederschlagskeimbildungszentren ein Silizium sein, das nach vierstündiger Glühung bei einer Temperatur von 800°C und sechszehnstündiger Glühung bei einer Temperatur von 1000°C weniger als 10⁷ Sauerstoffniederschläge/cm³ hat.
Im Hinblick auf das Vorgesagte ist ersichtlich, dass die erfindungsgemäßen Wafer mit Vorteil eine Matrize zur Sauerstoffausfällung haben, die die zuverlässige, reproduzierbare und wirksame Bildung einer Leerzone in einem oberflächennahen Bereich (d. h. weniger als etwa 30 Mikron von der Waferoberfläche) des Wafers und eine erwünschte Anzahl von Mikrofehlstellen (Sauerstoffniederschlägen) in dem Wafervolumen zur internen Getterung (z.B. wenigstens etwa 1 × 10⁶ cm^–3) ermöglicht. Diese Wafer sind für den Einsatz bei verschiedenen Anwendungen direkt geeignet, oder sie können als ein Substrat oder eine Komponente irgendeines anderen Wafers oder Bauelements dienen, wie weiter unten näher beschrieben wird.
Das vorliegende Verfahren ermöglicht ferner die Herstellung solcher Wafer, bei denen wenigstens die Oberflächenschicht eine relativ niedrige Zwischengittersauerstoffkonzentration (z.B. weniger als etwa 10 PPMA, 9 PPMA, 8 PPMA, 7 PPMA, 6 PPMA oder sogar 5 PPMA) hat, egal, ob sie durch Auswahl eines aus einem Block mit einer von Anfang an relativ niedrigen Sauerstoffkonzentration geschnittenen Wafers, durch Glühen des Wafers zur Verringerung der Sauerstoffzwischengitterkonstruktion nach Erstellung der Matrize zur Sauerstoffausfällung oder durch wahlweise Steuerung der Leerzonentiefe erhalten wurden. Im Ergebnis kann das vorliegende Verfahren zur Herstellung von Wafern dienen, die in der Oberflächenschicht keine thermischen Donatoren in einer Menge bilden, die ausreicht, den spezifischen Widerstand der Wafer bei einem typischen Halbleiterbauelement-Herstellungsverfahren merklich zu beeinträchtigen.
C. Epitaxiale Schicht
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine epitaxiale Schicht auf der Oberfläche eines idealen Ausscheidungswafers mit einer relativ niedrigen Zwischengittersauerstoffkonzentration abgeschieden werden. Die epitaxiale Schicht wird durch Maßnahmen gebildet, die üblicherweise bekannt sind und von den Fachleuten benutzt werden, wie Zersetzung einer gasphasigen, Silizium enthaltenden Zusammensetzung. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Waferoberfläche einer Atmosphäre ausgesetzt, die ein flüchtiges, Silizium enthaltendes Gas aufweist (z.B. SiCl₄, SiHCl₃, SiH₂Cl₂, SiH₃Cl oder SiH₄). Die Atmosphäre enthält vorzugsweise auch ein Trägergas (vorzugsweise H₂). Bei einer Ausführungsform ist die Siliziumquelle bei der epitaxialen Abscheidung SiH₂Cl₂ oder SiH₄. Wenn SiH₂Cl₂ benutzt wird, beträgt der Vakuumdruck im Reaktor während der Abscheidung vorzugsweise etwa 500 bis etwa 760 Torr (1 Torr = 133,32 Pascal). Wenn andererseits SiH₄ benutzt wird, ist der Reaktordruck vorzugsweise etwa 100 Torr. Die Siliziumquelle während der Abscheidung ist insbesondere SiHCl₃. Dieses ist tendenziell viel preisgünstiger als andere Quellen. Eine epitaxiale Abscheidung unter Benutzung von SiHCl₃ kann ferner bei atmosphärischem Druck durchgeführt werden. Dies ist von Vorteil, weil keine Vakuumpumpe erforderlich ist und die Reaktorkammer zwecks Vermeidung des Zusammenbruchs nicht so robust sein muss. Außerdem ergeben sich weniger Sicherheitsgefahren, und die Möglichkeit des Eindringens von Luft oder anderen Gasen in die Reaktorkammer wird verringert.
Während der epitaxialen Abscheidung wird die Waferoberfläche vorzugsweise auf einer ausreichenden Temperatur von wenigstens etwa 800°C, bevorzugter etwa 900°C und insbesondere etwa 1100°C erhitzt, um zu verhindern, dass die Silizium enthaltende Atmosphäre auf der Oberfläche polykristallines Silizium abscheidet. Die Wachstumsgeschwindigkeit der epitaxialen Abscheidung ist etwa 0,5 bis 7,0 μm/Min. Eine Geschwindigkeit von etwa 3,5 bis 4,0 μm/Min kann z.B. mit einer im Wesentlichen aus etwa 2,5 Mol.-% SiHCl₃ und etwa 97,5 Mol.-% H₂ bestehenden Atmosphäre bei einer Temperatur von etwa 1150°C und einem Druck von etwa 1 Atmosphäre (1 Atmosphäre = 101325,01 Pascal) erreicht werden.
Die epitaxiale Schicht kann ferner nach Wunsch ein gleitendes oder n-leitendes Dotierungsmittel enthalten. Beispielsweise enthält die epitaxiale Schicht vorzugsweise oft Bor. Eine solche Schicht kann dadurch hergestellt werden, dass z.B. während der Abscheidung in der Atmosphäre B₂H₆ enthalten ist. Der Molenbruch des B₂H₆ in der benutzten Atmosphäre, um die gewünschten Eigenschaften (z.B. den spezifischen Widerstand) zu erhalten, hängt von mehreren Faktoren ab, wie etwa der Menge der Ausdiffusion des Bors aus dem speziellen Substrat während der epitaxialen Abscheidung, der Menge der p-leitenden Dotierungsmittel und n-leitenden Dotierungsmittel, die in dem Reaktor und Substrat als Verunreinigungen vorliegen, und dem Reaktordruck und der Reaktortemperatur. Für Anwendungsfälle mit hohem spezifischem Widerstand ist die Dotierungsmittelkonzentration in der epitaxialen Schicht vorzugsweise so niedrig wie praktisch möglich (wobei der Substratwafer der vorliegenden Erfindung wahlweise einen hohen oder niedrigen spezifischen Widerstand oder einen spezifischen Widerstand von mehr als oder weniger als etwa 50 Ohm × cm hat).
D. Silizium auf Isolatorstruktur
Eine Struktur aus Silizium auf Isolator umfasst im Allgemeinen eine Bauelementschicht, eine Bearbeitungswafer- oder Trägerschicht und einen Isolierungsfilm oder eine Isolierungsschicht (typischerweise eine Oxidschicht) zwischen der Trägerschicht und der Bauelementschicht. Im Allgemeinen ist die Bauelementschicht zwischen etwa 0,5 und 20 Mikrometer dick. Silizi um-auf-Isolator-Strukturen können nach verschiedenen in der Technik bekannten Verfahren hergestellt werden, wie nachfolgend weiter beschrieben wird.
Wenn die Trägerschicht der Silizium-auf-Isolator-Struktur einen Wafer der vorliegenden Erfindung aufweist oder von einem solchen stammt, wird das vorliegende Waferverfahren vorzugsweise durchgeführt, bevor die Bauelementschicht der Silizium-auf-Isolator-Struktur auf dem Bearbeitungswafer aufgebracht wurde (oder im Falle von Ionenimplantierungsprozessen bevor die Implantierung erfolgt). Wenn das vorliegende Verfahren vor Bildung der Silizium-auf-Isolator-Struktur durchgeführt wird, kann es erwünscht sein, die Sauerstoffniederschlagskeimbildungszentren in dem Bearbeitungswafer nach Beendigung des Verfahrens und vor Beginn der Herstellung der Silizium-auf-Isolator-Struktur zu stabilisieren. Wenn dieser Weg benutzt wird, kann ferner die Sauerstoffausfällungswärmebehandlung der Stufe S₃ bei einigen Ausführungsformen während der Bildung der Silizium-auf-Isolator-Struktur (wie etwa in dem Falle der Waferbindung) erreicht werden, vorausgesetzt, die bei dem Silizium-auf-Isolator-Verfahren benutzte Behandlungszeit und -temperatur sind zur Sauerstoffniederschlagsbildung ausreichend.
Es ist jedoch ferner zu bemerken, dass der vorliegende Siliziumwaferprozess auch durchgeführt werden kann, nachdem die Silizium-auf-Isolator-Struktur hergestellt worden ist. Ohne Festlegung auf eine besondere Theorie wird angenommen, dass sich die Silizium-auf-Isolator-Struktur als ein typischer Einkristallsiliziumwafer verhält, wobei die Oxidschicht als eine freie Oberfläche wirkt, aus der Leerstellen und Zwischengittereigenatome einwandern können und zu der sie diffundieren können.
Sizium-auf-Isolator-Strukturen können z.B. durch das SIMOX-Verfahren hergestellt werden, in dem man den Wafer der vorliegenden Erfindung einem Ionenimplantationsverfahren unterzieht, das wie oben vermerkt in der Technik Standard ist (siehe z.B. US-Patent Nr. 5,436,175 und Plasma Immersion Ion Implantation for Semiconductor Processing, Materials Chemistry and Physics 46 (1996) 132-139). Bei einem solchen Verfahren werden die Ionen in ein Siliziumwafersubstrat implantiert, das dann zur Bildung einer vergrabenen Oxid-Isolierschicht einer Hochtemperaturglühung unterworfen wird. Wenn z.B. Sauerstoffionen implantiert werden, bildet sich eine vergrabene Isolierschicht aus Siliziumdioxid (SiO₂). Wenn Stickstoffatome implantiert werden, bildet sich eine vergrabene Schicht aus Siliziumnitrid (Si₃N₄). In diesen Fallen enthält die resultierende Silizium-auf-Isolator-Struktur eine Bauelementschicht und eine Isolierschicht, die beide von einem erfindungsgemäßen Wafer abgeleitet sind. Wegen der Hochtemperaturglühung zur Oxidbildung, typischerweise bei etwa 1150°C bis etwa 1400°C, überschreitet die Sauerstofflöslichkeit die typische Sauerstoffkonzentration im Wafer, so das sich zuvor existierende Niederschläge in Zwischengittersauerstoff zurücklösen können. In diesen Fällen kann nach dem SIMOX-Verfahren für bestimmte Anwendungen eine sekundäre Glühung zur Sauerstoffreduktion durchgeführt werden. Diese Ausführungsform umfasst dann im typischen Fall: Durchführung des Verfahrens der schnellen thermischen Glühung und Kühlung an einem Einkristallsiliziumwafer mit im Wesentlichen irgendeiner mit der Cz-Kristallziehtechnik erreichbaren Sauerstoffkonzentration, Bildung einer Oxid-Isolierschicht in dem Wafer und Durchführung einer sekundären Glühung bei einer Temperatur in dem Bereich von 700°C bis etwa 1100°C.
Silizium-auf-Isolator-Strukturen können auch durch Verbindung von zwei Wafern und Entfernung eines Teils eines der verbundenen Wafer hergestellt werden. Silizium-auf-Isolator-Strukturen können z.B. durch das BESOI-Verfahren hergestellt werden, bei dem der Wafer der vorliegenden Erfindung mit einem anderen Wafer verbunden und dann ein wesentlicher Teil eines der Wafer nach bekannten Wafer-Verdünnungstechniken weggeätzt wird, um die Bauelementschicht zu erhalten (siehe z.B. US-Patente Nr. 5,024,723 und 5,189,500 ). In diesem Fall enthält die resultierende Silizium-auf-Isolator-Struktur (i) eine Bauelementschicht, (ii) eine Bearbeitungswafer- oder Trägerschicht und (iii) eine Isolierschicht zwischen der Bauelementschicht und der Trägerschicht.
Bei einem anderen Weg der Waferverbindung wird Wasserstoff oder ein anderes Ion in einen der Wafer implantiert, und nach Verbindung der zwei Wafer wird der verbundene Verbundstoff einer Kraft ausgesetzt, die den verbundenen Verbundstoff veranlasst, an der Implantierungsstelle zu spalten. Eine Silizium-auf-Isolator-Struktur kann z.B. hergestellt werden durch (1) die Implantierung von Ionen (z.B. Wasserstoff, Stickstoff, usw.) in einem Wafer der vorliegenden Erfindung durch Beschuss zur Bildung einer Schicht gasförmiger Mikroblasen, wobei die Temperatur unterhalb der Temperatur gehalten wird, bei der die gasförmigen Mikroblasen durch Diffusion daraus entweichen können, (2) Berührung der ebenen Seite des Wafers mit einem Versteifungsmittel zur Bildung eines verbundenen Verbundstoffs und (3) Unterwerfen des verbundenen Verbundstoffs einer thermischen oder mechanischen Beanspruchung, die den erfindungsgemäßen Wafer veranlasst, in dem Bereich der Ionenimplantierung zu spalten. Wenn thermische Beanspruchung angewendet wird, wird der Verbundstoff auf eine Temperatur oberhalb der Temperatur erhitzt, bei der die Ionenimplantierung erfolgte, um eine kristalline Umlagerung und eine Druckwirkung in den Mikroblasen zu schaffen, die zu einer Trennung zwischen dem dünnen Halbleiterfilm und dem Hauptteil des Substrats führen (siehe z.B. US-Patent Nr. 5,374,564 ). Wenn die Silizium-auf-Isolator-Struktur einen erfindungsgemäßen Wafer als Versteifungsmittel enthalten soll, wird der Wafer vor der Bindung an die ebene Seite des anderen Wafer dem oben beschriebenen idealen Ausfällungsverfahren unterworfen. Bei einer anderen Ausführungsform kann der Siliziumwafer mit niedriger Fehlstellendichte erst mit einem Wafer aus Czochralski-Einkristallsilizium verbunden werden, und dann kann die gesamte Silizium-auf-Isolator-Struktur dem oben beschriebenen idealen Ausfällungsverfahren unterworfen werden.
Demgemäß leiten sich die Silizium-auf-Isolator-Strukturen der vorliegenden Erfindung von einem Siliziumwafer der vorliegenden Erfindung ab. Im Einzelnen:

1. Bei einer Ausführungsform umfasst die Silizium-auf-Isolator-Struktur eine Bauelementschicht, eine Trägerschicht und dazwischen eine Isolierschicht. Die Trägerschicht umfasst (A) eine zentral darin angeordnete, gedachte Ebene, eine erste Schicht und eine die zentrale Ebene enthaltende zweite Schicht, wobei sich die erste Schicht von der Isolierschicht zu der zweiten Schicht erstreckt und eine von der Isolierschicht zu der zweiten Schicht gemessene Dicke T₁ hat, und (B) eine ungleichmäßige Konzentration an Kristallgitterleerstellen, bei der eine Maximalkonzentration in der zweiten Schicht zwischen der ersten Schicht und der zentralen Ebene ist und die Konzentration im Allgemeinen in jeder Richtung abnimmt, wobei (i) T₁ wenigstens etwa 5 Mikron aber weniger als etwa 30 Mikron beträgt und (ii) die erste Schicht nach einer Sauerstoffausfällungswärmebehandlung bei einer Temperatur oberhalb etwa 700°C eine Sauerstoffniederschlagsdichte von weniger als etwa 1 × 10⁷ cm^–3 hat, während die zweite Schicht eine Sauerstoffniederschlagsdichte von mehr als etwa 1 × 10⁷ cm^–3 hat. Bei anderen Ausführungsformen kann T₁ in dem Bereich von wenigstens etwa 5 Mikron bis weniger als etwa 25, 20, 15 oder sogar 10 Mikron liegen (z.B. von etwa 10 bis 25 Mikron oder von etwa 15 bis 20 Mikron).
2. Bei einer zweiten Ausführungsform umfasst die Silizium-auf-Isolator-Struktur einen Siliziumwafer, der aus einem nach dem Czochralski-Verfahren gezüchteten Einkristallsiliziumblock geschnitten ist. Der Siliziumwafer hat (A) eine Vorderseite, eine Rückseite, eine gedachte Mittelebene in etwa gleichem Abstand zwischen der Vorderseite und der Rückseite, (B) eine Oberflächenschicht, die einen Waferbereich zwischen der Vorderseite und einem von der Vorderseite zu der Mittelebene gemessenen Abstand D umfasst und die eine Bauelementschicht und eine Isolierschicht enthält, wobei sich die Bauelementschicht von der Vorderseite zur der Isolierschicht erstreckt, (C) eine Volumenschicht, die die gedachte Mittelebene, aber nicht die erste Schicht umfasst, und (D) eine ungleichmäßige Konzentration von Kristallgitterleerstellen, bei der eine Maximalkonzentration in der Volumenschicht zwischen der Mittelebene und der Oberflächenschicht ist, wobei (i) D wenigstens etwa 5 Mikron aber weniger als etwa 30 Mikron ist und (ii) die Oberflächenschicht nach erfolgter Sauerstoffausfällungswärmebehandlung bei einer Temperatur über etwa 700°C eine Sauerstoffniederschlagsdichte von weniger als etwa 1 × 10 cm^–3 und die Volumenschicht eine Sauerstoffniederschlagsdichte von mehr als etwa 1 × 10 cm^–3 hat.

Bei anderen Ausführungsformen kann D in dem Bereich von wenigstens etwa 5 Mikron bis weniger als etwa 25, 20, 15 oder sogar 10 Mikron liegen (z.B. von etwa 10 bis 25 Mikron oder von etwa 15 bis 20 Mikron).
E. Zusätzliche Ausführungsformen
Es ist zu bemerken, dass das hier allgemein beschriebene Verfahren zur Steuerung des Leerstellenkonzentrationsprofils in einem Czochralski-Einkristallsiliziumwafer zusätzlich zu den oben beschriebenen Ausführungsformen auch zur Herstellung von Siliziumwafern mit einer dünnen oder flachen Oberflächenschicht oder einem dünnen oder flachen Oberflächenbereich dienen kann, die bzw. der im Wesentlichen von Sauerstoffniederschlag frei („entleert") ist, z.B. durch:

1. Thermische Glühung des Siliziumwafers wie oben beschrieben in einer Atmosphäre aus reinem Stickstoff oder einem anderen nur nitrierendem Gas, um eine im Wesentlichen gleichmäßige hohe Leerstellenkonzentration in dem Wafer zu erhalten. D. h., eine solche Thermoglühung kann dazu dienen, einen Wafer mit einer hohen Leerstellenkonzentration zu erhalten, die von der Vorderseite des Wafers zu der Rückseite im Wesentlichen konstant ist (unter der Annahme, dass keine Oberfläche in irgendeiner Weise abgeschirmt wurde). Verbunden mit einer Sauerstoffausfällungswärmebehandlung und einer geeigneten epitaxialen Schicht oder alternativ einer Bauelementschicht irgendeiner Art (wie im Falle einer Silizium-auf-Isolator-Struktur), kann eine Wafer mit einer Oberflächenschicht oder einem Oberflächenbereich gewünschter Tiefe erhalten werden, die im Wesentlichen frei von Sauerstoffniederschlägen ist. Nach Thermoglühung in einer nitrierenden Atmosphäre oder Umgebung und somit Schaffung einer solch hohen Leerstellenkonzentration in dem Wafer kann der Wafer alternativ einer Glühung in einer oxidierenden Atmosphäre (nach Abkühlung des Wafers oder bei Temperatur) unterworfen werden, so dass das hohe Leerstellenprofil durch Schaffung eines Einwärtsflusses von Zwischengit teratomen (wie hier beschrieben) verändert wird, wobei die Leerstellen durch Rekombination verbraucht werden.
2. Erhöhung der Abkühlungsgeschwindigkeit nach der Thermoglühung, um eine dünne (z.B. weniger als etwa 30 Mikron) Leerzone zu erreichen.
3. Nach Thermoglühung und Abkühlung des Wafers zur Bildung einer dicken Leerzone (z.B. größer als etwa 30 Mikron) Entfernung eines Teils davon durch in der Technik bekannte Maßnahmen (z.B. Waferpolierung).

Ferner ist zu bemerken, dass eine oder mehrere dieser hier vorgetragenen Ausführungsformen für Anwendungen geeignet sein können, bei denen die Leerzone im Wesentlichen irgendeinen spezifischen Widerstand hat (z.B. weniger als etwa 50 Ohm·cm oder mehr als etwa 50 Ohm cm, 100 Ohm cm, 300 Ohm cm, 500 Ohm·cm oder mehr). D. h. eine oder mehrere der hier beschriebenen Ausführungsformen können für Wafer mit einem niedrigen spezifischen Widerstand dienen (das ist ein spezifischer Widerstand von weniger als etwa 50 Ohm·cm).
BEISPIELE
Die folgenden Beispiele, die nicht in den Schutzumfang der Ansprüche fallen, sind zu Informationszwecken angegeben.
Beispiel 1
Beispiel 1 und 2 zeigen das Getterungsvermögen von idealen Fällungswafern über einen Sauerstoffkonzentrationsbereich. Bei der ersten Reihe von Versuchen wurden ideale Ausfällungswafer mit einer Sauerstoffkonzentration von 13 PPMA bei einer Wärmebehandlungstemperatur in Stufe S₁ von 1200°C und nachfolgendem Volumen-Sauerstoffniederschlagswachstum bei 950°C über einen Bereich von 30 bis 180 Minuten hergestellt. Die Auswertungen wurden für Wärmebehandlungstemperaturen in Stufe S₁ von 1225°C und 1250°C wiederholt. Bei einer zweiten und dritten Reihe von Versuchen wurde die erste Versuchsreihe für ideale Ausfällungswafer mit Sauerstoffkonzentrationen von 11,5 PPMA bzw. 9,5 PPMA wiederholt. Das Getterungsvermögen wurde durch Verunreinigung der Waferrückseite mit Nickel gemessen. Die Pfeile in 2 zeigen das Einsetzen vollständiger Getterung. Die Daten zeigen, dass Volumen-Niederschlagsdichte oberhalb des Schwellenwerts für wirksame Getterung für ideale Ausfällungswafer über einen Bereich von Sauerstoffkonzentrationen und sogar bei niedriger Sauerstoffkonzentration erhalten werden kann.
Beispiel 2

Vier Wafer wurden aus zwei Abschnitten eines CZ-Kristalls mit hohem spezifischem Widerstand geschnitten. Drei Wafer wurden idealen Ausfällungswafer-Wärmebehandlungen bei 1235°C, 1250°C bzw. 1275°C unterzogen. Der vierte Wafer war eine Kontrollprobe, die keine ideale Ausfällungswafer Wärmebehandlung enthielt. Jeder Wafer wurde dann geviertelt und den folgenden Sekundärglühungen unterzogen:

Wafer GG, Viertel 1 (GGQ1):			4 Stunden bei 800°C und dann 16 Stunden bei 1000°C;
Wafer GG, Viertel 2 (GGQ2):			8 Stunden bei 800°C und dann 16 Stunden bei 1000°C;
Wafer GG, Viertel 3 (GGQ3):			Anstieg von 800°C auf 1000°C mit 1°C/Min und dann 1 Stunde bei 1000°C; und
Wafer GG, Viertel 4 (GGQ4):			Anstieg von 800°C auf 1000°C mit 2°C/Min und dann 1 Stunde bei 1000°C.

Im Anschluss an die Sekundärglühungen wurde die BMD-Dichte durch OPP (Optical Precipitate Profiler) gemessen. Die OPP-Methode ist eine angewandte Methode bei dem Differentialinterferenzmikroskop des Typs Normalski. Bei der Methode wird ein Laserstrahl aus einer Lichtquelle in zwei senkrecht aufeinander stehende polarisierte gerade Strahlen getrennt, deren Phasen durch ein Polarisationsprisma voneinander um 90° verschieden sind und die dann von der Seite der spiegelpolierten Oberfläche in den Wafer eintreten. Wenn hierbei einer der Strahlen eine Fehlstelle durchquert, tritt unter Bildung von Phasenkontrast mit dem anderen Strahl Phasenverschiebung auf. Die Fehlstelle wird durch Feststellung des Phasenkontrasts mit einem Polarisa tionsanalysator erfasst, nachdem die Strahlen von der Rückseite des Wafers ausgesandt werden. Die Ergebnisse sind in der Tabelle unten angegeben.

Wafer		BMD Dichte/cm³
GG Kontrolle Q1		3,9 × 10⁸
GG Kontrolle Q2		1,3 × 10⁸
GG Kontrolle Q3		2,5 × 10⁸
GG Kontrolle Q4		-
GGQ1 (1235)		6,7 × 10⁹
GGQ2 (1235)		8,0 × 10⁹
GGQ3 (1235)		2,5 × 10⁷
GGQ4 (1235)		2,9 × 10⁷
GGQ1 (1250)		9,3 × 10⁹
GGQ2 (1250)		1,1 × 10¹⁰
GGQ3 (1250)		4,9 × 10⁸
GGQ4 (1250)		4,5 × 10⁷
GGQ1 (1275)		1,2 × 10¹⁰
GGQ2 (1275)		1,1 × 10¹⁰
GGQ3 (1275)		3,0 × 10⁸
GGQ4 (1275)		6,7 × 10⁷

Die Kontrollwafer erhielten keine ideale Ausfällungswaferbehandlung, so dass die Niederschlagsdichte nach den thermischen Zyklen auf den vorexistierenden Niederschlägen beruht, die während der verschiedenen Thermozyklen wuchsen. Bei einer idealen Ausfällungswaferbehandlung unterworfenen Wafern besteht eine große Differenz in der BMD-Dichte zwischen den Glühungen Q1 und Q2 (festgelegte Temperatur 800°C + 1000°C) im Vergleich zu den Glühungen Q3 und Q4 (mit Temperaturanstieg). Die Glühungen bei 800°C + 1000°C bewirkten das Wachsen der BMDs zur einer Größe, in der sie durch OPP feststellbar waren. Demgegenüber waren die Glühungen mit Anstieg von 800°C auf 1000°C für das Wachstum der Niederschläge nicht sehr wirksam. Die Ergebnisse zeigen auch, dass die BMD-Dichte nach der Glühung bei 800°C + 1000°C bei zunehmender idealer Ausfällungswafer-Glühtemperatur ansteigt.
Beispiel 3

Die radiale Anfangs- und Endsauerstoffkonzentration (O_i) der geglühten GG-Wafer aus Beispiel 2, eine zweite Reihe von wie in Beispiel 2 hergestellten Wafern (GA) und entsprechende unbehandelte GG- und GA-Wafer wurden bestimmt. Die Ergebnisse, aufgeführt in O_i (PPMA) bei radialen Abständen von dem Wafer (mm) für die geglühten Wafer mit der in Klammern angegebenen idealen Ausfällungswafer-Behandlungstemperatur sind unten in der Tabelle angegeben.

Wafer	10 mm	30 mm	50 mm	70 mm	90 mm
Anfangs-GG	12,2	12,1	12,0	11,9	11,5
Anfangs-GA	11,2	11,0	10,9	10,9	10,5
GGQ1 (1235)	9,0	8,6	8,7	8,9	9,0
GGQ2 (1235)	7,9	7,5	7,6	7,8	8,1
GGQ3 (1235)	12,0	12,0	11,9	11,7	11,5
GGQ4 (1235)	12,6	12,0	12,0	11,9	11,6
GAQ1 (1235)	9,5	9,0	9,1	9,1	9,2
GAQ2 (1235)	8,3	8,0	8,2	8,3	8,6
GAQ3 (1235)	11,1	11,0	10,8	10,8	10,4
GAQ4 (1235)	11,1	11,0	10,8	10,8	10,5
GGQ1 (1250)	7,6	7,4	7,4	7,6	8,0
GGQ2 (1250)	6,1	5,9	5,9	6,0	6,5
GGQ3 (1250)	12,2	12,0	12,0	11,9	11,5
GGQ4 (1250)	12,2	12,1	12,1	12,0	11,5
GAQ1 (1250)	8,5	8,2	8,3	8,4	8,6
GAQ2 (1250)	6,9	6,6	6,6	6,8	7,3
GAQ3 (1250)	11,0	10,9	10,9	10,8	10,5
GAQ4 (1250)	11,1	10,9	11,0	10,9	10,5
GGQ1 (1275)	5,7	5,4	5,6	5,8	6,0
GGQ2 (1275)	4,1	4,0	4,2	4,4	4,5
GGQ3 (1275)	12,2	12,0	11,8	11,7	11,6
GGQ4 (1275)	12,4	12,3	12,1	11,9	11,8
GAQ1 (1275)	6,9	6,8	6,9	7,0	7,3
GAQ2 (1275)	5,1	5,0	5,1	5,3	5,6
GAQ3 (1275)	11,0	10,9	10,9	10,8	10,5
GAQ4 (1275)	11,2	11,0	10,9	10,8	10,5

Die Glühungen (Q3 und Q4) mit Anstieg von 800°C auf 1000°C sind für das Wachsen der bei dem idealen Ausfällungswaferverfahren gebildeten Niederschläge nicht sehr wirksam, was zu einer sehr geringen Entfernung von Zwischengittersauerstoff aus der Lösung führt. Demgegenüber sind die zweistufigen Glühungen (Q1 und Q2) bei 800°C und 1000°C für das Wachsen der in dem idealen Ausfällungswaferverfahren gebildeten Niederschläge und die Entfernung von Zwischengittersauerstoff aus der Lösung sehr viel wirksamer. Ferner ist die Glühung von 8 Stunden bei 800°C bei der Entfernung von Zwischengittersauerstoff wirksamer als die Glühung von 4 Stunden bei 800°C. Außerdem nimmt die End-O_i nach der zweistufigen Glühung mit zunehmender Glühtemperatur des idealen Ausfällungswafers bei hoher Temperatur ab. Schließlich zeigen die Daten, dass die End-O_i eine Funktion der Anfangs-O_i ist, wobei eine höhere Anfangs-O_i eine größere Übersättigung ergibt, was bei der sekundären Glühung zu einer stärkeren Entfernung von Zwischengittersauerstoff aus der Lösung führt.
Beispiel 4

Dieses Beispiel erläutert den Trend, der in der Tiefe der Leerzone beobachtet werden kann und aus einem Anstieg der Sauerstoffkonzentration in der umgebenden Atmosphäre resultiert, die bei einem idealen Standard-Ausfällungswafer-Thermozyklus bei einer S₁-Temperatur von 1250°C (15 Sekunden Glühung) angewandt wird. Die Wafer in der Reihe A wurden in einer Argon/Stickstoff/Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre geglüht, und die Wafer in Reihe B wurden in einer Stickstoff/Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre (bei variablem Sauerstoffpartialdruck) geglüht. Nach Beendigung des Verfahrens wurden die BMD-Dichte und die Tiefe der Leerzone durch in der Technik bekannte Mittel bestimmt. Die Ergebnisse sind in der Tabelle unten angegeben.

Waferreihe	O₂-Partialdruck (PPMA)	Leerzonentiefe (Mikron)
A	0	4
A	40	9
A	100	15
A	200	32
A	400	64
A	1000	74
A	2000	80
B	0	7
B	40	4
B	100	4
B	200	7
B	400	53
B	1000	60
B	2000	75

Die Daten zeigen, dass eine Kombination aus Stickstoff/Sauerstoff oder Argon/Stickstoff/Sauerstoff während der idealen Ausfällungswaferbehandlung als die Glühungsumgebung (und wahlweise Kühlungsumgebung) dienen kann, um Wafer von vorbestimmter Leerzonentiefe herzustellen. Anders gesagt zeigen die Ergebnisse, dass die Leerzonentiefe durch Einstellung der Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre (abnehmende Leerzonentiefe bei ansteigendem Sauerstoffgehalt) „abgestimmt" werden kann.
Ferner ist zu bemerken, dass (nicht angegebene) Ergebnisse aus diesen Versuchen auch zeigen, dass sogar ein kleiner Stickstoffpartialdruck (z.B. weniger als etwa 5%, 3% oder sogar 2%) in einer Argonatmosphäre ohne anwesenden Sauerstoff zu keiner Leerzone führt. Daher kann ein Stickstoffpartialdruck in Argon von weniger als etwa 1% bis etwa 100% reichen. Die bisherige Erfahrung lässt jedoch vermuten, dass eine Konzentration von etwa 25% bis 75% Stickstoff in Argon eine genauere Steuerung der Leerzonentiefe (in Kombination mit einer gesteuerten Sauerstoffkonzentration) zulassen kann.
Im Hinblick auf das oben Gesagte ist ersichtlich, dass die verschiedenen Ziele der Erfindung erreicht werden. Da verschie dene Änderungen bei den obigen Zusammensetzungen und Verfahren vorgenommen werden könnten, ohne den Erfindungsumfang zu verlassen, soll die gesamte in der obigen Beschreibung enthaltene Materie als beispielhaft und nicht in einem einschränkenden Sinne interpretiert werden.

Claims

Wafer (1), der aus einem nach der Czochralski-Methode gezüchteten Einkristallsiliziumblock geschnitten ist, mit einer Vorderseite (3), einer Rückseite (5), einer gedachten Mittelebene (7) in etwa gleichem Abstand von der Vorder- und Rückseite, einer Vorderseitenschicht mit einem Waferbereich zwischen der Vorderseite und einer von der Vorderseite (3) zu der Mittelebene (7) gemessenen Entfernung D_i und einer Volumenschicht (9), die die gedachte Mittelebene, aber nicht die Vorderseitenschicht umfasst, und einer ungleichmäßigen Konzentration von Kristallgitterleerstellen mit einer Maximalkonzentration in der Volumenschicht (9) an der Mittelebene (7), wobei die Leerstellenkonzentration im allgemeinen in der Richtung der Vorderseite (3) und der Rückseite (5) des Wafers abnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass (i) D₁ wenigstens 5 Mikron, aber weniger als 30 Mikron beträgt und (ii) nach Unterwerfung einer Sauerstoffausfällungswärmebehandlung bei einer Temperatur oberhalb etwa 700°C die Oberflächenschicht weniger als 1 × 10⁷ cm^–3 Sauerstoffniederschläge und eine Sauerstoffzwischengitterkonzentration von weniger als 10 PPMA hat und die Volumenschicht (9) mehr als etwa 1 × 10⁷ cm^–3 Sauerstoffniederschläge hat.
Wafer des Anspruchs 1, bei dem das Volumen (9) eine Sauerstoffniederschlagsdichte von mehr als etwa 1 × 10⁸ cm^–3 hat.
Wafer des Anspruchs 1, bei dem das Volumen (9) eine Sauerstoffniederschlagsdichte von mehr als etwa 1 × 10⁹ cm^–3 hat.
Wafer des Anspruchs 1, bei dem das Volumen (9) eine Sauerstoffniederschlagsdichte von mehr als etwa 1 × 10¹⁰ cm^–3 hat.
Wafer des Anspruchs 1, ferner mit einer epitaxialen Schicht auf der Vorderseite.
Wafer des Anspruchs 1 mit einer Kohlenstoffkonzentration, die kleiner als etwa 5 × 10¹⁶ Atome/cm³ ist.
Wafer des Anspruchs 1 mit einer Kohlenstoffkonzentration, die kleiner als etwa 1 × 10¹⁶ Atome/cm³ ist.
Wafer des Anspruchs 1 mit einer Kohlenstoffkonzentration, die kleiner als etwa 5 × 10¹⁵ Atome/cm³ ist.
Wafer des Anspruchs 1, bei dem die Vorderseite (3) poliert ist.
Wafer des Anspruchs 1, bei dem der Wafer eine Abwesenheit von ^Sauerstoffniederschlagskeimbildungszentren hat, die durch Wärmebehandlung des Wafers bei einer Temperatur nicht oberhalb etwa 1300°C nicht aufgelöst werden können.
Wafer des Anspruchs 1, bei dem sein spezifischer Widerstand kleiner als etwa 50 Ohm·cm ist.
Wafer des Anspruchs 1, bei dem D₁ größer als etwa 10 Mikron und kleiner als etwa 25 Mikron ist.
Wafer des Anspruchs 1, bei dem D₁ in dem Bereich von mehr als etwa 15 Mikron bis weniger als etwa 20 Mikron liegt.
Verfahren zur Herstellung eines Siliziumwafers (1), der aus einem nach der Czochralski-Methode gezüchteten Einkristallsiliziumblock geschnitten wird und eine Vorderseite (3), eine Rückseite (5), eine gedachte Mittelebene (7) in etwa gleichem Abstand zwischen der Vorder- und Rückseite, eine Vorderseitenschicht mit einem Waferbereich zwischen der Vorderseite und einer Entfernung D₁, die von der Vorderseite (3) zu der Mittelebene (7) gemessen größer als 5 Mikron aber kleiner als 30 Mikron ist, und eine Volumenschicht (9) hat, die die gedachte Mittelebene, aber nicht die Vorderseitenschicht umfaßt, bei dem man den Einkristallsiliziumwafer in einer Atmosphäre wärmebehandelt, die ein Inertgas, ein Stickstoff enthaltendes Gas in einer Konzentration in der Atmosphäre von wenigstens etwa 1% und ein Sauerstoff enthaltendes Gas in einer Konzentration in der Atmosphäre von wenigstens 1 PPMA und weniger als etwa 500 PPMA enthält, um in der Vorderseitenschicht und in der Volumenschicht (9) Kristallgitterleerstellen zu bilden, den wärmebehandelten Wafer zur Erzeugung einer ungleichmäßigen Konzentration von Kristallgitterleerstellen darin abkühlt, wobei die Konzentration der Kristallgitterleerstellen in der Volumenschicht (9) größer als die in der Oberflächenschicht ist, und den abgekühlten Wafer bei einer Temperatur oberhalb etwa 700°C einer Sauerstoffausfällungswärmebehandlung unterzieht, um einen Wafer zu bilden, der eine sich mit der Vorderseitenschicht deckende, geleerte Zone und Sauerstoffniederschläge innerhalb der Volumenschicht (9) hat.
Verfahren des Anspruchs 14, bei dem die Volumenschicht (9) eine Sauerstoffniederschlagsdichte von mehr als etwa 1 × 10 cm^–3 hat.
Verfahren des Anspruchs 14, bei dem die Volumenschicht (9) eine Sauerstoffniederschlagsdichte von mehr als etwa 1 × 10⁹ cm^–3 hat.
Verfahren des Anspruchs 14, bei dem das Stickstoff enthaltende Gas ein Gas einer Stickstoff enthaltenden Verbindung ist.
Verfahren des Anspruchs 14, bei dem das die Stickstoff enthaltende Verbindung enthaltende Gas Ammoniak oder elementarer Stickstoff ist.
Verfahren des Anspruchs 14, bei dem das Sauerstoff enthaltende Gas elementarer Sauerstoff oder pyrogener Wasserdampf ist.
Verfahren des Anspruchs 14, bei dem das Inertgas unter Argon, Helium, Neon, Kohlendioxid oder einem Gemisch daraus ausgewählt wird.
Verfahren des Anspruchs 14, bei dem das Verhältnis von Stickstoff enthaltendem Gas zu Inertgas in dem Bereich von etwa 1:10 bis etwa 10:1 liegt.
Verfahren des Anspruchs 14, bei dem das Verhältnis von Stickstoff enthaltendem Gas zu Inertgas in dem Bereich von etwa 1:5 bis etwa 5:1 liegt.
Verfahren des Anspruchs 14, bei dem die Konzentration des Stickstoff enthaltenden Gases in der Atmosphäre in dem Bereich von etwa 10% bis etwa 90% ist.
Verfahren des Anspruchs 14, bei dem die Atmosphäre einen Sauerstoffpartialdruck von weniger als etwa 400 PPMA hat.
Verfahren des Anspruchs 14, bei dem die Atmosphäre einen Sauerstoffpartialdruck von weniger als etwa 200 PPMA hat.
Verfahren des Anspruchs 14, bei dem die Atmosphäre einen Sauerstoffpartialdruck von weniger als etwa 100 PPMA hat.
Verfahren des Anspruchs 14, bei dem die Atmosphäre einen Sauerstoffpartialdruck von weniger als etwa 300 PPMA, aber mehr als etwa 5 PPMA hat.
Verfahren des Anspruchs 14, bei dem die Atmosphäre einen Sauerstoffpartialdruck von weniger als etwa 200 PPMA, aber mehr als etwa 10 PPMA hat.
Verfahren des Anspruchs 14, bei dem D₁ größer als etwa 10 Mikron und kleiner als etwa 25 Mikron ist.
Verfahren des Anspruchs 14, bei dem D₁ in dem Bereich von mehr als etwa 15 Mikron bis weniger als etwa 20 Mikron liegt.
Verfahren des Anspruchs 14, bei dem die Atmosphäre im wesentlichen aus einer Kombination eines Stickstoff enthaltenden Gases, eines Sauerstoff enthaltenden Gases und eines Inertgases besteht.
Verfahren des Anspruchs 14, bei dem der wärmebehandelte Wafer in dem Temperaturbereich, in dem Kristallgitterleerstellen in Silizium relativ beweglich sind, mit einer Geschwindigkeit von wenigstens etwa 20°C/Sekunde abgekühlt wird.
Verfahren des Anspruchs 14, bei dem der wärmebehandelte Wafer in dem Temperaturbereich, in dem Kristallgitterleerstellen in Silizium relativ beweglich sind, mit einer Geschwindigkeit von wenigstens etwa 50°C/Sekunde abgekühlt wird.
Verfahren des Anspruchs 14, bei dem der Wafer zur Bildung von Kristallgitterleerstellen für einen Zeitraum von weniger als etwa 60 Sepunden bei einer Temperatur von wenigstens etwa 1150°C wärmebehandelt wird.
Verfahren des Anspruchs 14, bei dem der Wafer zur Bildung von Kristallgitterleerstellen für einen Zeitraum von weniger als etwa 60 Sekunden bei einer Temperatur von wenigstens etwa 1175°C wärmebehandelt wird.
Verfahren des Anspruchs 14, bei dem die Oberflächenschicht einen spezifischen Widerstand von weniger als etwa 50 Ohm·cm hat
Verfahren des Anspruchs 14, bei dem die Volumenschicht (9) einen spezifischen Widerstand von weniger als etwa 50 Ohm·cm hat.