Technisches Gebiet
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Die Erfindung richtet sich auf die Herstellung
von Halbleitervorrichtungen, insbesondere denjenigen mit
A&sub3;-B&sub5;- und A&sub2;-B&sub6;-Halbleiterverbindungen, mit Ausheilung
von Halbleiterwafern.
Stand der Technik
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Bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen
können Wafer aus Halbleitermaterial durch
Ionenimplantation mit mindestens einem Dotiermittel dotiert werden.
Durch diesen Vorgang wird stets die implantierte
Oberfläche beschädigt. Es ist wünschenswert, diesen
Schaden zu beseitigen, um für nachfolgende
Verarbeitungsschritte wie Metallisierung eine hochwertige
Oberfläche zu bieten. Dies wird typischerweise dadurch
erreicht, daß der implantierte Wafer einer Ausheilung
unterworfen wird, die gleichzeitig die implantierten
Ionen aktiviert.
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Gebräuchliche langfristige Ausheilung im Ofen
führt zu einer hochwertigen Oberfläche. Ofenausheilung
ist leider zeit- und energieaufwendig und kann bewirken,
daß sich das Dotiermittelprofil erweitert und flüchtige
Bestandteile verlorengehen (z.B. As von GaAs-Wafern oder
P von InP-Wafern), was die Aufrechterhaltung einer
bestimmten Atmosphäre über einer ausgeheilten Probe
erfordert, um den Verlust des flüchtigen Bestandteils zu
kompensieren.
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Seit kurzem ist die schnelle thermische
Ausheilung (RTA - Rapid Thermal Annealing) bei der
Verarbeitung von implantierten Halbleitern, insbesondere
von Halbleitern mit A&sub3;-B&sub5;- und A&sub2;-B&sub6;-
Halbleitererbindungen, einschließlich solchen wie GaAs
und InP und Verbindungshalbleitern, die an GaAs und InP
gitterangepaßt sind, wie beispielsweise InGaAs, InGaAsP,
AlInas, AlInAsP usw., immer nützlicher geworden. Bei dem
RTA-Vorgang wird der ausgeheilte Gegenstand für einen
kurzen Zeitraum wie beispielsweise von 1 bis 30 Sekunden
oder länger, einer Wärmeenergie mit hohen Temperaturen
von bis zu 1100ºC ausgesetzt. Beispielsweise werden
InP-Wafer Temperaturen im Bereich von 700 bis 800ºC
ausgesetzt, während GaAs-Wafer bei Temperaturen im
Bereich von 800 bis 1050ºC ausgeheilt werden.
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Das RTA-Verfahren bietet den Vorteil der
Beseitigung des Implantationsschadens mit geringerer
Dotiermittelprofilerweiterung im Vergleich zur
gebräuchlichen Ofenausheilung. Der RTA-Vorgang kann
jedoch zu Gleitlinienbildung sowie auch zu EN1-
Elektronenfallen während der RTA-Ausheilung führen.
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Gleitlinien sind Gebiete eines Wafers, die sich
aus der Einführung von thermoelastischen Spannungen
ergeben, die auf Grund der hohen Temperaturen während der
RTA entstehen und zu thermoplastischen Erscheinungen mit
Versetzungsgleiten führen. Da beim RTA-Verfahren das
Abkühlen der Probe hauptsächlich durch Strahlung
stattfindet, können auf Grund der unterschiedlichen
Strahlungsstärke von verschiedenen Teilen der Probe
Temperaturgradienten auftreten. Beispielsweise kühlt sich
auf Grund der vergleichsweise höheren Ausstrahlung vom
Waferrand dieser schneller als die Mitte ab.
Infolgedessen können durch den Temperaturgradienten im
Wafer thermische Spannungen erzeugt werden, die zu den
Gleitlinien führen. Von G. Bentini, L. Correra und C.
Donolato wird in "Defects Introduced in Silicon Wafers
During Rapid Isothermal Annealing: Thermoelastic and
Thermoplastic Effects" [In Siliziumwafern auftretende
Fehler während der schnellen isothermischen Ausheilung:
thermoelastische und thermoplastische Effekte], J. App.
Phys. 56 (10), 15. November 1984, Seiten 2922-2929, die
Bildung von Gleitlinien in Silizium beschrieben. Dieses
Phänomen tritt auch in A&sub3;-B&sub5;- und
A&sub2;-B&sub6;-Halbleitermaterialien auf. Sehr oft können sich die Gleitlinien
über eine beträchtliche Entfernung in den mittleren
Bereich von Halbleiterwafern erstrecken, wie
beispielsweise 1,3 cm oder mehr vom Rand eines Wafers mit einem
Durchmesser von ca. 5 oder 6,7 cm, woraus sich Gebiete
ergeben, die für weitere Verarbeitung nicht geeignet sind
und daher zu einer schlechten Vorrichtungsausbeute
führen.
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Zusätzlich können bei höheren RTA-Temperaturen
EN1-Fallen eingeführt werden. In solchen
Verbindungshalbleitern wie n-GaAs werden die EN1-
Elektronenfallen von der RTA typischerweise oberhalb von
5800ºC eingeführt. Die EN1-Falle ist eine Elektronenfalle
mit einer gewissen Aktivierungsenergie aus dem
Leitungsband und ergibt sich aus Infraroterwärmung
während der RTA. Diese Fallenbildung steht eng mit einer
schnellen Erwärmungsstufe im RTA-Vorgang in Verbindung
und wird nie nach gebräuchlicher Ofenausheilung
beobachtet. Eine detailliertere Besprechung von EN1-
Fallen ist in M. Kazuhara und T. Nozaki "Study of
Electron Traps in n-GaAs Resulting From Infrared Rapid
Thermal Annealing" [Untersuchung von Elektronenfallen in
n-GaAs infolge von schneller thermischer Ausheilung mit
Infrarot], J. Appl. Phys. 59 (9), 1. Mai 1986, Seiten
3131-3136, zu finden. Die Bildung von Elektronenfallen in
n-GaAs durch RTA ist unter Anwendung von
Tieftransientenspektroskopie untersucht worden. Von diesen Autoren
wurde berichtet, daß zusätzlich zu einer Anzahl von
Fallenebenen, die allgemein in Voll-GaAs, so wie es
gewachsen ist, vorhanden sind, in bei 950ºC in einer RTA-
Ausheilung ausgeheiltem verkapselten GaAs eine neue EN1-
Falle mit einer Aktivierungsenergie von 0,20 eV aus dem
Leitungsband und einem Elektroneneinfangquerschnitt von
5,4x10&supmin;¹&sup6; cm² gebildet wird.
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Es ist von Bedeutung, daß die durch RTA
ausgeheilten Wafer nicht nur wiederholbar hohe
Beweglichkeiten und gleichförmige Aktivierung besitzen
sollten, sondern auch eine morphologische Güte aufweisen
sollten, die zumindest mit der mit der gebräuchlichen
Ofenausheilung erreichten vergleichbar ist. So ist es
wünschenswert, die implantierten Halbleiterwafer der RTA
auszusetzen und dabei eine hochwertige Oberfläche ohne
jegliche Gleitlinien zu erhalten. Zusätzlich ist es
wünschenswert, das Auftreten von durch EN1 eingefangenen
Fehlern in den mit RTA behandelten Wafern im wesentlichen
zu vermeiden.
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Ein Vorgang nach dem Oberbegriff des Anspruches
1 ist in Appl. Phys. Lett 47 (3), 1. August 1985, Seiten
304-306 offenbart.
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Die oben umrissenen Probleme lassen sich mittels
der in den Patentansprüchen dargestellten Erfindung
lösen.
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In einem beispielhaften erfindungsgemäßen Vorgang
wird ein auszuheilender Wafer in einen "schwarzen Kasten"
mit einem Boden, einem Schutzring und einem Deckel
gelegt, der dann in einer Ausheilkammer angeordnet wird.
Der schwarze Kasten besteht aus einem Werkstoff, der im
wesentlichen Einstrahlungsenergie absorbiert und Energie
hauptsächlich durch Ausstrahlung ableitet. Die RTA-
Ausheilung des im schwarzen Kasten ausgeheilten Wafers
ergibt Wafer, die im wesentlichen frei von Gleitlinien
sind. Als dreistufige Ausheilung ausgeführte RTA-
Ausheilung führt zu wiederholbar hohen Beweglichkeiten
und gleichförmiger Aktivierung. Die dreistufige RTA-
Ausheilung umfaßt einen Vorausheilungsschritt bei einer
solchen Temperatur und so lange, daß Wärmeschock des
Wafers gemildert wird, der sich ansonsten aus höheren
Ausheiltemperaturen ergeben kann, einen
Hauptausheilungsschritt bei einer solchen Temperatur und so
lange, daß an der Halbleiteroberfläche durch
Ionenimplantation verursachte Schäden beseitigt und
Dotiermittelionen aktiviert werden, und einen
Nachausheilungsschritt bei einer solchen Temperatur und so lange, daß
sich aus dem Hauptausheilungsschritt ergebende Spannungen
beseitigt werden. Anwendung der dreistufigen RTA in
Verbindung mit dem schwarzen Kasten führt zu Wafern, die
im wesentlichen frei von Gleitlinien sind und
wiederholbar hohe Beweglichkeiten und gleichförmige
Aktivierung aufweisen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist eine perspektivische Teilansicht einer
Heizkammer einer repräsentativen Ausheileinrichtung
einschließlich einiger ihrer bei der Durchführung der
erfindungsgemäßen RTA benutzten Bestandteile.
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Fig. 2 ist eine explodierte Ansicht von
Bestandteilen eines für die erfindungsgemäße Ausheilung
von Halbleiterwafern benutzten schwarzen Kastens einer
Ausheilvorrichtung.
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Fig. 3 ist eine graphische Darstellung eines
dreistufigen Ausheilzyklusses zur Ausheilung von
Siimplantierten GaAs-Wafern.
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In Figuren 4, 5, 6 und 7 werden vier
unterschiedliche Varianten von RTA-Auswirkungen auf die
morphologische Güte von mit RTA behandelten GaAs-Wafern
verglichen.
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Fig. 8 offenbart ein Trägerkonzentrationsprofil
über Tiefenprofil für beispielhaftes mit einer Dosis von
3x10¹² cm&supmin;² ²&sup9;Si bei 60 KeV implantiertes und durch einen
dreistufigen Zyklus von 30 Sekunden bei 650ºC,
10 Sekunden bei 950ºC und 30 Sekunden bei 850ºC
ausgeheiltes GaAs.
Detaillierte Beschreibung
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Die vorliegende Erfindung betrifft die
Herstellung von Halbleitervorrichtungen aus
Habbleitermaterialien mit A&sub3;-B&sub5;- und A&sub2;-B&sub6;-Verbindungen mit
schneller thermischer Ausheilung (RTA - Rapid Thermal
Annealing) von mit einem geeigneten Dotiermittel
implantierten Halbleiterwafern. Es wird unten ein
Verfahren und eine Einrichtung zur Ausheilung von Wafern
mit RTA unter Vermeidung von Gleitlinien und mit
wiederholbar hohen Beweglichkeiten und gleichförmiger
Aktivierung beschrieben. Als beispielhafter
Halbleiterwafer zur Erläuterung der Erfindung werden Si-
implantierte GaAs-Wafer benutzt. Andere
Halbleitermaterialien und andere Dotiermittel können mit
logischen Abwandlungen behandelt werden, bei denen die
unten beschriebenen Lehren zur Anwendung kommen.
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In dieser Darstellung benutzte Wafer waren
ursprünglich undotierte, auf (100) orientierte
chemischmechanisch polierte halbisolierende GaAs-Wafer mit einem
Durchmesser von ca. 5 cm und einer Stärke von ca. 500 um.
Annähernd 5 um der Oberflächenstärke jedes Wafers wurden
durch Ätzen in einer frisch hergestellten Lösung von
5 H&sub2;SO&sub4;:H&sub2;O&sub2;:H&sub2;O vor der Ionenimplantation entfernt. ²&sup9;Si
wurde bei Raumtemperatur in einer nichtkanalisierenden
Richtung implantiert. Die Dosis und Energie der
Implantationen betrugen 3x10¹²cm&supmin;² bzw. 60 KeV. Zur
Implantierung dieser Ionen beiraumtemperatur können
andere Dosen im Bereich von3x10¹² bis 5x10¹&sup5; cm&supmin;² und
Energien im Bereich von 30 bis 800 KeV benutzt werden.
Vor der RTA-Ausheilung wurden die implantierten Wafer mit
einem Film aus durch Elektronenstrahl aufgetragenem Glas
in einer Stärke im Bereich von 10 bis 500 nm bedeckt
(verkapselt). Von 1 bis 15 Molprozent P&sub2;O&sub5;, vorzugsweise
2 bis 10 Molprozent P&sub2;O&sub5;, enthaltendes Phosphorsilikatglas
(PSG) ist auf Grund seiner ausgezeichneten
Schutzeigenschaften für die Verwendung in RTA am besten
geeignet. Für Ausheilzwecke genügt ein PSG-Film in einem
Stärkebereich von 30 bis 150 nm, typisch ca. 100 nm.
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Das Vorhandensein von P&sub2;O&sub5; in SiO&sub2;-Glas erniedrigt
seinen Erweichungspunkt und erhöht seinen
Wärmeausdehnungskoeffizienten und reduziert damit
Spannung während der thermischen Ausheilung, insbesondere
durch RTA. Auch blockiert das Vorhandensein von Phosphor
eine weitere Diffusion von beispielsweise
ionenimplantierten Dotiermitteln bei der Ausheilung. Der
P&sub2;O&sub5;-Gehalt eines als Sperrschicht im Ausheilverfahren
benutzten PSG wird so ausgewählt, daß der
Erweichungspunkt unterhalb einer Ausheiltemperatur liegt,
der Schmelzpunkt eines gleichwertigen Kristallmaterials
jedoch oberhalb der Ausheiltemperatur liegt. Unter diesen
Umständen bildet die Glasschicht eine gute Sperre, ohne
die Halbleiteroberfläche unter Spannung zu setzen. Ein
P&sub2;O&sub5;-Gehalt oberhalb von 15 Molprozent bewirkt immer noch
eine Spannungserniedrigung, aber der Film ist nicht
unbedingt chemisch inert. Unter 1 Molprozent liegende
Mengen können immer noch Spannung bedeutend verringern,
erniedrigen jedoch den Glaserweichungspunkt nur
geringfügig. Da bei vielen Anwendungen eine Ausheilung
unterhalb von 1200ºC (z.B. 800 bis 1050ºC bei GaAs)
gewünscht ist, reicht eintypischer geeigneter Bereich
für die P&sub2;O&sub5;-Menge in PSG von 2 bis 10 Molprozent. Eine
detailliertere Besprechung der Auswahl der P&sub2;O&sub5;-Menge in
PSG findet sich in dem D. T. Ekholm et al. am 15. März
1988 erteilten US-Patent 4,731,293.
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Das Phosphosilikatglas kann durch das in
EP-A-0254013 offenbarte Sol-Gel-Verfahren sehr
wirkungsvoll und kostengünstig für die Verwendung bei der
Elektronenstrahlbeschichtung vorbereitet werden. Für die
Verkapselung können auch andere Gläser wie Borsilikat
oder das im Handel erhältliche Vycor (gewichtsmäßig
3% B&sub2;O&sub3;, 1% Al&sub2;O&sub3; und 96% SiO&sub2;) benutzt werden. Die
Verwendung von Borsilikatglas bei der Herstellung solcher
Vorrichtungen wie Lawinenfotodioden ist in dem am
4. April 1989 im Namen von G. Chi et al. erteilten US-
Patent Nr. 4,819,039 offenbart. Die Verwendung von PSG-
Glas bei der Herstellung verschiedener
Halbleitervorrichtungen einschließlich Lawinenfotodioden ist in dem
oben erwähnten US-Patent 4,731,293 offenbart.
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Wafer 1 mit einem Verkapselungsfilm 2 über einer
implantierten Oberfläche wurde in einer
Ausheilungseinrichtung unter fließendem trockenen inerten
Gas wie Stickstoff (N&sub2;), Argon, Formiergas usw.
ausgeheilt. Eine für die RTA-Ausheilung verwendete
Einrichtung sollte in der Lage sein, genügend
Wärmeenergie zur Vorheizung einer Halbleiterprobe auf
eine Temperatur zwischen einer Anfangstemperatur, z.B.
Raumtemperatur, und einer Spitzenausheiltemperatur und
die für besagte Spitzenausheilung für eine Zeitdauer von
1 bis 30 Sekunden geeignete hohe Wärmeenergie,
beispielsweise bis zu 1100-1200ºC, bereitstellen zu
können. Für diesen Zweck ist eine
mikroprozessorgesteuerte Halogenlampen-Ausheilanlage
HEATPULSE 410 geeignet, die im Handel von AG Processing
Technologies, Inc., 1325 Borregas Avenue, Sunnyvale,
California, 94089, USA, erhältlich ist.
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Eine repräsentative Ausheileinrichtung enthält
eine in der Fig. 1 gezeigte Heizkammer 3. Die Heizkammer
enthält ein Quarzisolationsrohr 4, eine untere und eine
obere Reihe von Wolfram-Halogenlampen 6 hoher Intensität
und Rohrleitungen 7 zum Führen einer geeigneten
Kühlflüssigkeit wie Wasser. Die Lampen 6 geben gepulste
Strahlungsenergie zum Aufheizen des auf einem Magazin
oder einem Heizer 8 in dem Isolationsrohr angeordneten
Wafers 1 ab. Bei niedrigen Temperaturen absorbiert der
Wafer sichtbares Licht und bei hohen Temperaturen
absorbiert er Infrarotstrahlung. Es sind spiegelnde
Oberflächen 9 vorgesehen, um die Wärmeenergie zum
Isolationsrohr zu reflektieren und die Gleichförmigkeit
der Wärmeenergieverteilung zu verbessern.
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Die thermische Verarbeitung tritt im
Isolationsrohr 4 zwischen der oberen und unteren Reihe
von Lampen 6 ein. Ein Magazin 8 aus geeignetem Material
wie Quarz ist im Isolationsrohr 4 herausnehmbar
angeordnet und wird zum Tragen des bearbeiteten
implantierten und verkapselten Wafers 1 im Rohr benutzt.
Zur Überwachung der Ausheilung kann die Einrichtung mit
einem (nicht gezeigten) Pyrometer und einem (nicht
gezeigten) Thermoelement ausgerüstet sein. Die
Ausheiltemperatur wird typischerweise durch
Pyrometermessung gesteuert, während Wafertemperaturen bis
innerhalb eines Bereichs von 625-675ºC mit einem
Thermoelement wie einem Chromel-Alumel-Thermoelement
überwacht werden. Das Thermoelement kann auf geeignete
Weise wie auf dem Magazin 8 neben dem Wafer in Kontakt
mit einer Waferunterseite oder im Wafer eingebettet
angebracht sein.
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Nach der Erfindung wird der implantierte und
verkapselte Wafer 1 vor seiner Anordnung auf dem Magazin
8 in einer Einrichtung eingeschlossen, die als "schwarzer
Kasten" bezeichnet werden kann. Die Einrichtung umfaßt
drei Bestandteile: einen Boden oder eine Platte 10 zum
Tragen des Wafers 1, einen Schutzring 11 zum Umfassen des
Wafers und einen Deckel oder eine Abdeckung 12 zum
Abdichten eines vom Boden und dem Schutzring gebildeten
Hohlraums. Die Bestandteile des schwarzen Kastens
bestehen aus einem Schwarzkörpermaterial, das im
wesentlichen die gesamte Einstrahlungsenergie (d.h. die
Ausstrahlung der Lampen 6) absorbiert und die absorbierte
Energie hauptsächlich durch Abstrahlung ableitet. Die
Bestandteile des schwarzen Kastens sollten auch aus einem
Material bestehen, das unter Betriebsbedingungen stabil
und hinsichtlich der gasförmigen Umgebung, z.B. N&sub2;, inert
ist. In dem Darstellungsbeispiel sind die Bestandteile
des schwarzen Kastens aus einem aus Graphit und Silizium
ausgewählten Material hergestellt. Wenn es gewünscht ist,
die Möglichkeit einer Verunreinigung des Wafermaterials
durch das Material (die Materialien) der Bestandteile des
schwarzen Kastens besonders bei höheren RTA-Temperaturen
zu verringern, können zumindest die inneren Oberflächen
dieser Bestandteile durch einen verkapselnden Glasfilm
bedeckt sein. Die Beschichtung kann in einer geeigneten
Stärke wie beispielsweise 100-500 nm aufgebracht sein.
Die Beschichtung kann vorzugsweise aus demselben
Glasmaterial wie dem zur Bedeckung des Wafers benutzten
bestehen. Andere Verkapselungsmaterialien wie
beispielsweise Vycor oder SiO&sub2; können ebensogut benutzt
werden.
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Die Abmessung des Innendurchmessers des
Schutzringes 11 ist etwas größer als die Abmessung des
auszuheilenden Wafers 1, um einen geringen Freiraum
zwischen dem implantierten Wafer und dem Schutzring zu
lassen. Durch den Freiraum soll die Erweiterung des
Wafers in dem Hohlraum bei gleichzeitiger wirkungsvoller
gleichmäßig verteilter Wärmeübertragung zwischen dem
Schutzring des schwarzen Kastens und dem Wafer ermöglicht
werden. Aus ähnlichen Gründen ist die Höhe des
Schutzringes etwas größer als die Stärke des
implantierten Wafers, so daß der Deckel 12 ebenfalls vom
implantierten Wafer 1 beabstandet ist. Für einen Wafer
mit einer Stärke von ca. 500 um weist der Schutzring
typischerweise eine Höhe von 600 bis 900 um auf. Dadurch
werden mindestens 100 um Freiraum zwischen dem Wafer und
dem Deckel geboten. Ein ähnlicher Freiraum ist zwischen
den Innenwänden des Schutzringes und dem Wafer
vorgesehen. Die Außenabmessung des Schutzringes und damit
des Bodens und des Deckels kann so ausgewählt werden, daß
sie in die Grenzen von Halterungen 13 paßt, die in
ausgewählten Abstandsöffnungen 14 (Fig. 2) auf dem
Magazin angeordnet werden können. Typischerweise weisen
Boden, Deckel und Wände des Schutzringes jeweils eine
Stärke von 600 bis 1000 um auf. So beträgt für einen
implantierten Wafer mit einem Durchmesser von ca. 5 cm
die Innenabmessung des Schutzringes ca. 5,7 cm im
Durchmesser, und die Außenabmessung des Bodens, des
Schutzringes und des Deckels beträgt ca. 7,6 cm im
Durchmesser. Für einen implantierten Wafer mit einem
Durchmesser von ca. 7,6 cm beträgt die Innenabmessung des
Schutzringes ca. 8,3 cm im Durchmesser, und die
Außenabmessungen der Bestandteile des schwarzen Kastens
betragen jeweils ca. 10 cm im Durchmesser. Um in eine
Befestigungsanordnung des benutzten Magazins zu passen,
können ebensogut andere entsprechende Außenabmessungen
gewählt werden.
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Vor dem Ausheilen wird der Boden 10 auf das
Magazin 8 gelegt, der Schutzring 11 wird auf den Boden 10
gelegt, der implantierte und verkapselte Wafer 1 wird mit
der implantierten Seite nach oben innerhalb eines vom
Schutzring 11 geformten Hohlraums auf den Boden 10
gelegt, und danach wird der Deckel 12 über den Schutzring
11 gelegt, um den Wafer 1 in den so gebildeten schwarzen
Kasten einzuschließen. Als Alternative dazu kann der
Wafer 1 vor Auflegen des Schutzringes auf den Boden auf
den Boden 10 gelegt werden, oder der schwarze Kasten mit
dem Wafer 1 kann vor Auflegen des schwarzen Kastens auf
das Magazin zusammengebaut werden.
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Nach Herstellung einer Strömung aus trockenem
inerten Gas wie N&sub2; durch das Isolationsrohr 4 und damit
über den schwarzen Kasten wurde der Wafer 1 einer RTA
unterworfen. In dem vorliegenden Beispiel war der
Ausheilzyklus ein dreistufiger Ausheilzyklus, der, wie in
Fig. 3 gezeigt, aus einem Vorausheilungsschritt, einem
gepulsten Hauptausheilungsschritt und einem
Nachausheilungsschritt, gefolgt von einer Abkühlung,
bestand.
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Der Vorausheilungsschritt wird durch Anheben der
Temperatur bis auf einen Bereich von 625 bis 675ºC und
Aufrechterhalten dieser Temperatur für eine Zeitdauer
durchgeführt, die nicht nur zur Vorheizung des Kastens,
sondern auch des Wafers innerhalb des Kastens ausreicht.
Damit werden die Auswirkungen des Wärmeschocks gemindert,
dem der Wafer ausgesetzt sein würde, wenn er direkt der
höheren Ausheiltemperatur unterworfen wäre. Der
Vorausheilungsschritt wird vorzugsweise bei ca. 650ºC für
eine Zeitdauer von ca. 30 Sekunden durchgeführt. Der
gepulste Hauptausheilungsschritt wird bei Temperaturen im
Bereich von 900 bis 1000ºC für eine Zeitdauer
durchgeführt, die zur Ausheilung des durch die
Ionenimplantation verursachten Schadens an der Oberfläche
des Wafers 1 ausreicht. Eine Zeitdauer von bis zu
50 Sekunden könnte nützlich sein, wobei eine Zeitdauer im
Bereich von 5 bis 20 Sekunden am geeignetsten ist. Der
gepulste Hauptausheilungsschritt wird vorteilhafterweise
bei Spitzentemperaturen von 950ºC für ca. 10 Sekunden
durchgeführt. Der Nachausheilungsschritt wird bei einer
Temperatur im Bereich von 825 bis 875ºC für eine
Zeitdauer durchgeführt, die zur Beseitigung von
Spannungen, die durch die Hochtemperaturausheilung
verursacht sein könnten, ausreicht. Die Nachausheilung
wird vorzugsweise so durchgeführt, daß der
impulsausgeheilte Wafer ca. 30 Sekunden lang auf ca.
850ºC gehalten wird. Nach dem Nachausheilungsschritt kann
sich der Wafer mit einer Geschwindigkeit von 5 bis
50ºC/Sekunde auf mindestens 550ºC abkühlen. Die Abkühlung
verläuft typischerweise mit einer Abkühlgeschwindigkeit
von ca. 30ºC/Sekunden oder langsamer. Ausgeheilte Wafer
1 werden aus der Heizkammer 3 herausgenommen, wenn ihre
Temperatur unter 200ºC abfällt. Nach der Ausheilung kann
die Verkapselung 2 auf dem ausgeheilten Wafer 1
beibehalten werden, oder sie kann, wenn für die
nachfolgende Vorrichtungsverarbeitung eine unverkapselte
Oberfläche wünschenswert ist, unter Anwendung einer
HF:H&sub2;O-Ätzlösung entfernt werden.
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Zur Bestimmung des Wirksamkeitsgrades der
Hauptausheiltemperatur und -zeit hinsichtlich Gleitlinien
wurde eine Anzahl von Wafern bei Spitzentemperaturen im
Bereich von 925 bis 1000ºC für Zeiten im Bereich zwischen
5 und 20 Sekunden ausgeheilt. Bei ihrer Untersuchung mit
einem Lichtmikroskop waren alle auf diese Weise
ausgeheilten Wafer vollständig frei von Wärmeschäden. Um
die Wafer auf Gleitlinien zu untersuchen, wurden sie in
bei 300ºC geschmolzenem KOH 20 Minuten lang geätzt.
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Der Wirksamkeitsgrad der Anwendung des schwarzen
Kastens mit Schutzring und Deckel aus Graphit oder
Silizium bei der Beseitigung von Gleitlinien ist in den
Figuren 4, 5, 6 und 7 dargestellt. In diesem Experiment
wurden vier implantierte und verkapselte (in Figuren 5,
6 bzw. 7 dargestellte) Wafer aus demselben GaAs-
Einkristallkörper unter Anwendung des dreistufigen Zyklus
einschließlich des Vorausheilungsschritts für ca. 30
Sekunden bei 650ºC, des Hauptausheilungsimpulsschritts
für ca. 10 Sekunden bei einer Spitzentemperatur von 950ºC
und des Nachausheilungsschritts für ca. 30 Sekunden bei
850ºC ausgeheilt. In Fig. 4, 6 bzw. 7 dargestellte Wafer
konnten sich mit einer natürlichen Abkühlgeschwindigkeit
von ca. 30ºC/Sekunde von der Nachausheiltemperatur von
850ºC abkühlen, während sich der in der Fig. 5 gezeigte
Wafer mit einer Abkühlgeschwindigkeit von ca.
10ºC/Sekunde abkühlen konnte.
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Der in der Fig. 4 dargestellte Wafer wurde in
einem Hohlraum eines durch einen Boden aus Silizium und
einen Schutzring und einen Deckel aus Graphit gebildeten
schwarzen Kastens ausgeheilt. Die topographische
Verteilung des auf Gleitlinien beruhenden Schadens in
diesem Wafer war auf ein nur kleines Grenzgebiet mit
weniger als 10% der Oberfläche begrenzt. Der in Fig. 5
gezeigte Wafer wurde unter Verwendung derselben Art von
schwarzen Kasten ausgeheilt, konnte sich jedoch mit einer
geringeren Abkühlgeschwindigkeit ( 10ºC/Sek.) als der
erste Wafer von 850ºC auf ca. 600ºC abkühlen. Die
Ergebnisse zeigen, daß der Wafer unter diesen Bedingungen
vollständig frei von Gleitlinien war. Die
Wiederholbarkeit dieses Vorgangs wurde mit mehr als 20
Wafern bestätigt, die bei Spitzentemperaturen im Bereich
zwischen 925 und 1000ºC ausgeheilt wurden. Einfache
Verwendung einer langsamen Abkühlgeschwindigkeit ohne den
Graphitschutzring und -deckel brachte keinen Erfolg bei
der Beseitigung von Gleitlinien. Mit einem
Siliziumschutzring und -deckel erhaltene Ergebnisse waren
im Vergleich mit den mit dem Graphitschutzring
und -deckel erhaltenen ebenfalls sehr zufriedenstellend.
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Für Vergleichszwecke wurde der in Fig. 6 gezeigte
Wafer auf einem Siliziumboden, aber ohne Schutzring oder
Deckel ausgeheilt. In diesem Wafer war die
Gleitliniendichte so hoch, daß er im wesentlichen
unbrauchbar für die Vorrichtungsherstellung war. Der in
Fig. 7 gezeigte Wafer wurde in einem Hohlraum eines
Kastens ausgeheilt, der durch einen Quarzglasschutzring
und einen Siliziumdeckel gebildet wurde. Obwohl in diesem
Fall eine leichte Verringerung der Dichte von Gleitlinien
(relativ zur Dichte ohne den Schutzring und Deckel)
eintrat, waren mehr als 75% des Wafers nicht für
Vorrichtungsverwendung geeignet. Mit einem Schutzring aus
Aluminiumoxid und einem Silizium- oder Graphitdeckel
erhaltene Ergebnisse waren ebenfalls im Vergleich zu den
mit dem Schutzring aus Quarzglas erhaltenen
unzufriedenstellend.
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Diese Beispiele zeigen, daß der Gleitschaden
durch Verwendung einer Einrichtung eines schwarzen
Kastens mit einem Schutzring und einem Deckel aus einem
Schwarzkörpermaterial wie entweder Graphit oder Silizium
wirksam beseitigt wird. Es hat sich herausgestellt, daß
ein Schutzring aus Quarzglas oder Aluminiumoxid bei der
Verhinderung der Gleitlinien unwirksam war. Gleichermaßen
wurden bei der Verwendung von Schutzring und Deckel aus
Quarzglas oder Aluminiumoxid ungünstige Ergebnisse
erzielt.
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Der Vorteil der dreistufigen Ausheilung gegenüber
einer zweistufigen Ausheilung einschließlich eines
Vorausheilungs und Hauptausheilungsschritts wurde auf
folgende Weise untersucht. Eine Anzahl von Wafern mit
einem Durchmesser von 5 cm wurde in zwei Hälften
gespalten. Von jedem Wafer wurde ein Stück unter
Verwendung einer zweistufigen Ausheilung mit
Voraufheizung bei 650ºC für ca. 30 Sekunden, gefolgt von
der Rauptausheilung bei 950ºC für ca. 10 Sekunden,
aktiviert. Das andere Stück desselben Wafers wurde unter
Verwendung des in Fig. 3 dargestellten dreistufigen
Zyklus ausgeheilt. Beide Ausheilungssätze wurden mit dem
schwarzen Kasten mit Boden aus Silizium und mit
Schutzring und Deckel aus Graphit ausgeführt. Bei ihrer
Untersuchung auf Gleitlinien zeigte sich, daß beide
Stücke gleitlinienfrei waren. Das beweist, daß mit dem
schwarzen Kasten Gleitlinien entweder mit zweistufiger
oder dreistufiger RTA wirksam vermieden werden können.
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Die mit der zweistufigen Ausheilung erreichbaren
Beweglichkeits- und Aktivitätseigenschaften waren jedoch
nicht so wirksam wie die mit der dreistufigen Ausheilung
erreichbaren. Die sich aus entweder der zweistufigen oder
dreistufigen Ausheilung ergebende Aktivierung war
vergleichbar und betrug annähernd 100%. Die mit der
zweistufigen Ausheilung erreichbaren
Durchschnittsbeweglichkeiten waren jedoch viel niedriger
als die bei der dreistufigen Ausheilung.
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Profile von Trägerkonzentrationen über Tiefe
wurden aus C-V-Messungen an einer Quecksilbersonde
erhalten, die unter Benutzung von Ti-Au-Schottky-
Sperrdioden gegenüber einem Volumen-n-GaAs-Standard
geeicht wurde. Ergebnisse von C-V-Messungen ergaben
Profile von Trägerkonzentration über Tiefe, die
ausgezeichnet mit den theoretischen LSS-Profilkurven für
beide Hälften übereinstixnmten und eine Aktivierung von
beinahe 100% anzeigten. In Fig. 8 wird ein typisches
Tiefenprofil dargestellt, das durch die dreistufige
Ausheilung eines GaAs-Wafers mit einem Durchmesser von
7,6 cm erhalten wurde und die Aktivierung von beinahe
100% anzeigt. Das LSS-Profil wird durch die durchgezogene
Linie dangestellt. Die durchgezogene Kennlinie stellt die
theoretische oder LSS-Kennlinie dar und wird unter
Verwendung des Projektionsbereichs und der
Projektionsstandardabweichung erhalten, die aus der
Theorie von Lindhard, Scharft und Schlott Proiected Rande
Statistics, Semiconductors and Related Materials
[Projektionsbereichsstatistiken, Halbleiter und verwandte
Materialien], 2. Auflage, von James F. Gibbon, William S.
Johnson und Steven W. Mylroie; Halstead Press, John Wiley
and Sons, Inc., New York, abgeleitet wurden.
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Unter Verwendung des Van der Pauw-Verfahrens
wurden Hall-Effekt und Schichtwiderstandsmessungen zur
Untersuchung der Schichtträgerkonzentration (Ng) und
Durchschnittsschichtbeweglichkeit (um) der implantierten
Aktivschicht durchgeführt. Hall-Messungen an den
zweistufig ausgeheilten Stücken ergaben
Durchschnittsbeweglichkeiten im Bereich von
1500-2000 cm²/Vs, während die dreistufig ausgeheilten
Proben Beweglichkeiten zwischen 2500-3000 cm²/Vs
aufwiesen. Dieser Unterschied kann wie folgt erklärt
werden. Ortliche Schwankung der Beweglichkeit in einem
gegebenen Wafer aus GaAs wird allgemein beobachtet und
steht mit unterschiedlichen Versetzungen über die Probe
hinweg in Beziehung. Angesichts der Tatsache, daß mit dem
RTA-Vorgang Schritte mit schneller Anwärmung und
Abkühlung verbunden sind, besteht die Möglichkeit einer
Bildung von eingefangenen Gitterfehlern während der
Ausheilung. Das Auftreten solcher eingefangenen Fehler
würder zu einer schlechten Beweglichkeit von
Majoritätsträgern in der implantierten Schicht führen. So
können niedrige gemessene Beweglichkeiten in Schichten
mit Aktivierung von annähernd 100%, die durch den
zweistufigen Ausheilzyklus (Vorausheilungsschritt für ca.
30 Sekunden bei 650ºC, gefolgt vom gepulsten
Hauptausheilungsschritt für ca. 10 Sekunden bei 950ºC)
erhalten werden, dem Vorhandensein von EN1-Fallen
zugeschrieben werden.
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Aktivierte Schichten mit wiederholbar hoher
Beweglichkeit wurden durch Anwendung eines dreistufigen
Ausheilzyklusses erhalten, bei dem der Endschritt aus
einer Ausheilung für ca. 30 Sekunden bei 850ºC bestand.
Da in mit einem dreistufigen Ausheilzyklus aktivierten
Wafern höhere Beweglichkeiten beobachtet werden, ist die
Annahme, daß sich in diesem Vorgang keine EN1-Fallen
bildeten, nicht unberechtigt. Ansonsten würde das
Vorhandensein von EN1-Fallen auf Grund der Zerstreuung
von Trägern zu einer geringeren Beweglichkeit führen. Es
könnte trotzdem auch angenommen werden, daß, wenn sich
aus dem gepulsten Hauptausheilungsschritt durch
EN1-Fallen eingefangene Fehler ergaben, diese durch den
Nachausheilungsschritt entfernt wurden. Diese Ansicht
wird in der Tat durch die oben erwähnte Beobachtung von
M. Kuzuhara und T. Nozaki unterstützt, daß die EN1-Falle
durch langfristige Ausheilung (Dauer > 255) zerstört
wurde.