CN1545725A - 外延晶片及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种外延晶片，在掺杂氮的单晶硅晶片表面形成有硅外延层，其特征在于：体内具有吸气能力的氧析出物密度不低于108个/cm3。另外，本发明是提供一种外延晶片的制造方法，其特征在于：用CZ法拉制添加了氮的单晶硅，将该单晶硅加工成晶片，以制造出单晶硅晶片，在该单晶硅晶片进行热处理，使将晶片的体内的具有吸气能力的尺寸的氧析出物密度不低于108个/cm3，然后在上述单晶硅晶片上进行外延生长。由此，不依存于器件工序，可确实获得一种具有高吸气能力的单晶硅晶片。

Description

外延晶片及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种外延晶片及其制造方法，即使在对晶片实施任一种器件形成热处理(尤其指低温、短时间的热处理)的情况下，也能使晶片具有足够的吸气(gettering)能力，在晶片内部形成足够的BMD(Bulk Micro Defect：内部微小缺陷)作为吸气部位的外延晶片及其制造方法。
背景技术
用于制作半导体集成电路等器件的晶片，主要使用用CZ法制成的单晶硅晶片。在该单晶硅晶片的表面附近极力无缺陷化时，提升了器件的品质，提升其品质最有效的方法之一为外延晶片，其优越性已获证明。
另外，在晶片的体(bulk)内虽形成高密度的缺陷(BMD)，但对于器件制作却很有利。这是因为在器件形成热处理中，被重金属杂质污染的机会相当多，由于该重金属对于器件动作将产生不良影响，所以必须多次从器件形成区域表面附近除去该重金属的缘故。实现该要求的方法为吸气技术，该吸气技术中，在晶片的体部形成BMD作为吸气部位。
通过切克劳斯基(CZ)法所制造的单晶硅在制造阶段中虽无法避免地含有氧，但是其氧浓度可控制，根据目的制造出具有各种氧浓度的CZ-硅晶片。当上述氧原子受到热处理时，在晶片内部形成氧析出物。此为BMD的主要成分。上述BMD的周围含有很多结晶晶格的缺陷。该缺陷可用于捕捉重金属杂质。该方法在各种的吸气技术中称为IG(Internal Gettering：内部吸气)。
一般可考虑几种方法应用该IG法。最简便的是在器件形成热处理中同时形成BMD的方法。这对于在器件形成热处理为高温时是有效的，但是在1000℃以下的低温中则无法发挥效果。尤其是近年来器件工艺低温化，渐渐无法期待BMD的形成。在这种低温工艺的情况下想要强的吸气能力时，也有在投入器件工艺前形成BMD的方法。该方法称为DZ(Denuded Zone)-IG，利用高温热处理使表面附近的氧原子向外扩散且放出至晶片外，再进行氧气析出核形成与生长的2段热处理，而获得相应于目的的BMD密度的方法。然而，热处理较为复杂且需要长时间，成本相当高。
因此，近来使用一种方法作为在吸气时于晶片的体内简便形成所需的BMD的手段，是一种在用CZ法所拉制的单晶硅中添加氮气的方法。众所周知，在氮与氧共存于硅中时，由于氧的析出核形成速度高，故可容易形成BMD。通过该方法所制造出的硅晶片具有高的BMD密度，故在吸气法中被认为是最佳的晶片。
可同时实现该添加氮的晶片的吸气能力与优良的表层品质两者的晶片，是以添加氮的晶片作为基片的外延晶片。与已有的外延晶片相比，由于一开始就含有BMD，故被认为具有高的吸气能力。实际上，接受器件形成热处理之后的晶片特征为，BMD进一步生长，因此具有充分的吸气能力。
然而，近来不仅器件形成热处理低温化，也出现RTA(快速热退火：Rapid Thermal Annealing)化的倾向。即，需花费数小时的器件形成热处理，现在以数秒至数分的单位进行。在这种短时间的热处理中，在其过程中几乎无法期待有BMD的形成或生长。然后，进行这种器件形成热处理后的晶片其内部所检测出的BMD密度即使是被认为是足够的BMD密度：108/cm3左右，也有吸气能力不足的缺陷。
发明内容
本发明是鉴于上述问题点而研创的，目的在于不依存于后赋予晶片的器件工序，可确实获得具有高吸气能力的单晶硅晶片。
为了解决上述问题点，本发明的外延晶片的特征在于：在掺杂氮的单晶硅晶片表面形成硅外延层，体内具有吸气能力的氧析出物密度不低于108个/cm3。
如此，形成外延层的基片的体内具有吸气能力的尺寸的氧析出物密度不低于108个/cm3的外延晶片，即使在随后投入晶片的器件工艺RTA化或低温化时，由于具有吸气能力的尺寸的BMD以充分的密度存在，故可发挥充分的吸气能力。再者，由于在晶片表面形成有外延层，故使晶片表面的品质良好。
此外，若以现在的光学测定装置检测出氧析出物的尺寸的半径为30至40nm(形状假设为球状时)，确实具有吸气能力，但即使为该尺寸以下的尺寸，若半径不低于10nm，则可确认出具有吸气能力的与透过型电子显微镜(TEM)观察的结果。
另外，本发明是一种外延晶片的制造方法，其特征在于：用CZ法拉制添加了氮的单晶硅，将该单晶硅加工成晶片，制造出单晶硅晶片，在该单晶硅晶片上进行热处理，使晶片体内具有吸气能力的尺寸的氧析出物密度不低于108个/cm3，然后，在上述单晶硅晶片上进行外延生长。
如此，通过对该单晶硅晶片进行热处理，将晶片体内具有吸气能力的尺寸的氧析出物密度设为108个/cm3以上，然后在上述单晶硅晶片上进行外延生长，可在晶片体内存在具有充分吸气能力的尺寸的BMD密度。因此，即使之后的器件工艺RTA化或低温化等，可制造出具有满足要求的吸气能力的晶片。另外，此时的热处理由于在单晶硅添加氮，故不需进行如未添加氮的晶片的复杂的长时间热处理，以较简单的短时间进行热处理。然后，在晶片表面由于通过外延生长形成外延层，故可获得良好晶片的表层品质。
此外，对该单晶硅晶片施加的热处理由于是通过之后所进行的高温下的外延生长使氧析出物的尺寸缩小，因此在该热处理工序中氧析出物的尺寸以设为半径30至40nm以上，密度设为109个/cm3以上较佳。即，结果，也可以使外延生长后的外延晶片具有吸气能力的尺寸的氧析出物设为108个/cm3以上。
此时，在上述单晶硅晶片上所进行的热处理，是由600℃至1000℃、0.5小时至8小时的第1热处理；以及800℃至1150℃、0小时至10小时的第2热处理组成的热处理。
这是因为即使通过添加氮以促进氧析出核形成，氧析出过程也分为析出核形成与生长的两阶段。然后，在该各阶段中，最适合的温度及时间因初期氧浓度或添加氮浓度而异，在决定热处条件时必须最适化。从而，为了具有本发明的效果，通过热处理以由600℃至1000℃、0.5小时至8小时的范围内进行的第1热处理与800℃至1150℃、0小时至10小时的范围内进行的第2热处理组成的热处理，在晶片体内可确实以所需的密度形成发挥吸气能力的10nm以上的BMD。
此时，在拉制添加上述氮的单晶硅时，该单结晶中所添加的氮浓度设为1013至1014个/cm3。
如上所述，已知通过对硅结晶添加氮，可促进氧析出核形成。此时，由于添加氮确实具有效果的浓度为1×1013个/cm3，故优选设为不低于该浓度。另外，若氮浓度低于1×1014个/cm3，由于可明显抑制因硅晶片表面的缺陷引起而形成的外延层的积层缺陷(SF)等外延缺陷，故以设为低于该浓度为佳。
如上所述，根据本发明的简单方法，可获得不依存于之后进行的器件工序，且具有高的吸气能力的外延晶片。
具体实施方式
以下说明本发明。
本发明人进行了用于获得具有不依存于器件工序的吸气能力的外延晶片的精辟研究。已有在掺杂氮的单晶硅晶片上进行外延生长的晶片，在施加使体内的氧析出物生长至可检测的尺寸为止的热处理(例如800℃/4h+1000℃/16h)后，在测定BMD密度时，于投入器件工艺之前，BMD密度为108个/cm3左右，具有高的吸气能力。然而，根据其后所投入的器件工艺，无法获得所要求的吸气能力。
因此，本发明人对于将添加氮的单晶硅直接加工成晶片的生成态(as-grown)的掺杂氮单晶硅晶片或在其上仅生长外延层的外延晶片，使用透过型电子显微镜详细检查体内的BMD。结果，判断确实检测出的BMD密度为108个/cm3左右，其BMD的半径尺寸大部分小于10nm。此外，如DZ-IG那样进行高温、长时间的热处理，对具有必要吸气能力的晶片进行相同的调查时，判断即使为相同的BMD密度，其BMD的半径尺寸高于10nm，大部分大于通过光学性检测装置检测出的半径30至40nm。
因此，为了使BMD实际发挥吸气能力，需要该BMD的半径尺寸至少需不小于10nm，且以半径不小于30nm为佳，由于该BMD的尺寸至少在半径10nm以上，所以能提供一种不需依存于之后的器件工序就可发挥吸气能力的晶片。
因此，本发明人推测对于添加氮的单晶硅晶片而言，在进行外延生长之前进行热处理，使BMD的尺寸生长，使尺寸实际上具有吸气能力的BMD密度增加。此时的热处理与上述的DZ-IG所进行的热处理不同，由于在晶片添加氮，故可以进行较简单的短时间的热处理，以形成所需的BMD。
本发明依据这种基本思想，完成检讨各条件的结果。
以下，详细说明本发明，但本发明并不限定于此。
在本发明中，用CZ法制成掺杂氮的硅晶棒，例如也可依据日本特开昭60-251190号所揭示的公知方法。
即，CZ法虽然是使种晶接触石英坩锅中所收容的晶硅原料的融液，一边使其旋转，一边慢慢拉制，而制成所期望的直径的硅晶棒的方法，但通过事先在石英坩锅内放入氮化物、或在硅融液中投入氮化物、或将环境气体设为包含氮的环境等，也可在拉制的结晶时掺杂氮。此时，通过调整氮化物的量、氮气浓度或导入时间等，可控制结晶中的掺杂量。
如此，在用CZ法制成单结晶棒时，通过掺杂氮，可助长硅中的氧原子凝结，使氧析出物密度提高。此时，氮浓度以设为1×1013至1×1014个/cm3为佳。这是因为，当氮浓度不低于1×1013个/cm3时，氧析出核能以生成态状态确实形成，故在热处理后可更确实制作出氧析出物密度不低于1×108个/cm3的具有吸气能力尺寸的外延晶片，另外，若氮浓度低于1×1014个/cm3，则可明显抑制因基片的硅晶片引起在外延层形成积层缺陷(SF)等的外延缺陷。
如此，在CZ法中，可获得掺杂所期望浓度的氮的硅晶棒。依据一般的方法，是以内周切片刀具或线锯等的切断装置将其切片之后，对单晶硅晶片进行倒角、磨光、蚀刻、研磨等工序。当然，上述工序仅为例示，也有其它如研削、清洗等种种工序，可根据工序顺序的变动或一部份省略等目的，适当变更工序加以使用。
然后，对该晶片进行热处理，例如使外延生长后的外延晶片的体内具有吸气能力的半径尺寸不低于10nm的氧析出物密度成为1×108个/cm3以上。此外，由于该热处理是通过之后所进行的外延生长，使氧析出物的尺寸缩小，因此在该热处理工序中，期望使半径30至40nm以上的氧析出物密度成为1×109个/cm3以上。结果，在外延生长后的外延晶片的半径不低于10nm的氧析出密度成为1×108个/cm3以上。该热处理若可使体内的氧析出物的尺寸生长，且使上述尺寸的氧析出物密度成为1×108个/cm3以上，则任一方法皆可。尤其在本发明中，由于在单晶硅晶片添加氮，故能通过时间较短的热处理形成所期望的BMD。
然而，即使通过添加氮以促进氧析出核形成，氧析出过程也分为析出核形成与生长的2阶段。在各阶段中，最适当的温度及时间是因初期氧浓度或添加氮浓度而异，在决定热处理条件时必须将其最适化。因而，为确实具有本发明的效果，尤其是单晶硅中的氮浓度为1013至1014个/cm3时，热处理条件以在600℃至1000℃及5小时至8小时的范围内进行的第1热处理；以及以800℃至1150℃与0小时至10小时的进行的第2热处理构成的热处理为佳。
当第1热处理未满600℃时，无新的吸出核形成，相反，当超过1000℃时则有可能消灭已有的析出核。另外，当第2热处理未满800℃时，析出物生长需要长时间，使得效果不佳，当超过1150℃时，又有可能导致滑动位错或金属污染。
虽第2热处理时间为0小时之时仅称为第1热处理，但由于添加氮，故若在第1热处理条件的范围内进行高温长时间的热处理，则可获得作为目的的氧析出物。
在进行该热处理时的环境，没有特别限定，在氢、氮或氩等惰性气体、或是上述气体的混合气体的环境中皆可，也可为氧等气体环境。
另外，热处理使用的装置是外延生长装置，若欲连续进行热处理与外延淀积，则可以高生产性进行处理。另外，在长时间进行热处理时，使用可同时进行数十片以上的晶片的热处理的加热器加热方式的热处理炉，在进行分批处理时较有效率。
在该单晶硅晶片的体内进行形成具有吸气能力的尺寸的BMD的热处理后，在晶片表面形成外延层。该外延生长以一般的CVD法进行。在该CVD法中，例如在钟罩型(圆柱形)反应室内配置放置了硅基片的承受器的辐射加热方式的外延生长炉内导入三氯硅甲烷，由此在单晶硅晶片上外延生长硅。
如此，在本发明中，在投入器件工序前的外延晶片中，存在108个/cm3以上的半径不小于10nm的氧析出物(BMD)。从而，即使器件工序RTA化、短时间化或低温化，也可发挥充分的吸气能力。即使已有的掺杂氮的外延晶片的BMD密度为108个/cm3，其后的器件工艺在RTA化、低温化时，尺寸皆无法生长至10nm以上，也有无法充分发挥吸气能力的情况。
以下，列举本发明的实施例及比较例进行具体说明，但本发明并不限定于此。
(实施例1)
利用CZ法，拉制直径8英寸、初期氧浓度14ppma(JEIDA：日本电子工业振兴协会规格)、方位<100>的结晶棒。此时，原料中预先投入具有氮化硅膜的硅晶片，将氮浓度控制在3×1013个/cm3，并进行添加。加工该结晶棒使成为基片晶片。
在氮环境中对该基片晶片施加(800℃、2hr)+(1000℃、8hr)的氧析出热处理之后，淀积3μm的外延层。外延生长是使用在钟罩型反应室内配置放置有硅基片的承受器的辐射加热方式的外延生长炉，以1125℃的温度导入三氯硅甲烷而进行。通过LST(光散射X线断层照相法)测定该外延晶片的晶片体内的BMD。
该LST对半导体照射激光，以监视因半导体内部的缺陷而散射的散射光，以观测半导体内部的缺陷分布作为断层像的手法，在应用于硅晶片的BMD测定时，可测定BMD的密度、尺寸、分布等。
如此，所测定的BMD密度的结果、BMD的密度为109个/cm3。此时的BMD假设为球状，其半径平均约40nm。
在该晶片上故意污染Ni，以光学显微镜观察表面产生的浅沟时，并没有观察到浅沟，可知该实施例1的外延晶片具有高的吸气能力。
从该结果可判断出，在本发明的外延晶片上由于具有足够尺寸的BMD的密度高，故可制作出吸气能力优良的外延晶片。尤其是根据其后的热处理，由于不需产生BMD，故不依存于器件工序，且从器件工序的初期开始可制作出具有吸气能力的晶片。
(实施例2)
与实施例1相同，利用CZ法，拉制添加氮的硅晶棒。并加工该硅晶棒，使成为基片晶片。
对该基片晶片施加(850℃、1hr)+(1100℃、2hr)的与实施例1相比，时间较短的热处理之后，淀积3μm的外延层。该外延晶片与实施例1相同，以LST测定晶片体内的BMD。
所测定的BMD密度的结果，BMD的密度为4×109个/cm3。此时的BMD假设为球状，其半径平均约35nm。
与实施例1相同，在该晶片上故意污染Ni，以光学显微镜观察表面产生的浅沟时，并没有无法观察到浅沟，可知该实施例2的外延晶片具有高的吸气能力。
从该结果可知，即使进行的热处理时间短，也可获得本发明的效果。
(比较例1)
与实施例1相同，拉制添加氮的硅晶棒，并加工该硅晶棒，使成为基片晶片。
不对该基片晶片施加如实施例1及实施例2的外延生长前的热处理，而直接淀积3μm的外延层。该外延晶片与实施例1相同，以LST测定晶片体内的BMD。
测定BMD密度的结果，所检测出的BMD密度为107个/cm3。
与实施例1相同，在该晶片上故意污染Ni，以光学显微镜观察表面产生的浅沟时，可观察到大量的浅沟，可知该比较例1的外延晶片的吸气能力不足。
(比较例2)
除了不添加氮的外，其余皆与实施例1相同，拉制添加氮的硅晶棒，并加工该硅晶棒，使成为基片晶片。
在氮环境中，对该基片晶片施加(800℃、2hr)+(1000℃、8hr)的与实施例1相同的氧析出热处理之后，淀积3μm的外延层。以LST测定该外延晶片的晶片体内的BMD。
所测定的BMD密度的结果、所检测出的BMD密度为107个/cm3。
与实施例1相同，在该晶片上故意污染Ni，以光学显微镜观察表面产生的浅沟时，可观察到大量的浅沟，可知该比较例2的外延晶片的吸气能力不足。
此外，本发明并不限定于上述实施方式。上述形态为例示，凡具有与本发明的权利要求范围所述的技术思想和实质上相同的构成，且可达相同的作用效果，皆包含于本发明的技术范围内。
例如，在本发明中，不论外延前热处理的条件的严格性，即使使用其它温度进行的热处理、时间，或是组合数阶段的热处理工艺，只要制作出具有相同效果的外延硅晶片，皆包含于本发明的范围内。

Claims (4)

1.一种外延晶片，其特征在于：在掺杂氮的单晶硅晶片表面形成有硅外延层，在体内具有吸气能力的尺寸的氧析出物密度不低于108个/cm3。
2.一种外延晶片的制造方法，其特征在于：用CZ法拉制添加了氮的单晶硅，将该单晶硅加工成晶片，以制造出单晶硅晶片，在该单晶硅晶片上进行热处理，使晶片体内具有吸气能力的尺寸的氧析出物密度不低于108个/cm3，然后在上述单晶硅晶片上进行外延生长。
3.如权利要求2所述的外延晶片的制造方法，其中，在上述单晶硅晶片上进行的热处理，是进行600℃至1000℃、0.5小时至8小时的第1热处理；以及800℃至1150℃、0小时至10小时的第2热处理组成的热处理。
4.如权利要求2或3所述的外延晶片的制造方法，其中，在拉制添加了上述氮的单晶硅时，该单结晶中所添加的氮浓度为1013至1014个/cm3。
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