TW513768B - Method of manufacturing semiconductor silicon single crystal wafer - Google Patents

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513768 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（1 ) 發明所屬的技術領域 本發明係有關半導體矽單晶晶圓（以下稱作砂晶圓或 晶圓）之製造方法，尤其係有關爲使高積體之半導體元件 的製造上所用的矽晶圓之電氣特性提高所必需的高品質嘉 晶晶圓之製造方法。 關聯技術 向來，利用高積體微細化之半導體元件所用的砂單晶 所加工的矽單晶晶圓係利用有利於結晶之大直徑化的柴可 斯基（Czochralski )，以下稱作C Z法予以製造。 在利用C Z法之矽單晶之製造方法，因係利用石英坩 堝，由石英坩堝溶出於矽熔融物的氧原子在結晶成長時會 進入矽單晶中。 相關的氧原子在矽單晶中之晶格間位置會過飽和的存 在著，故在半導體元件製作中的熱處理步驟中析出，而形 成結晶缺陷（B M D : Bulk Micro Defect )。半導體元件 因係於矽單晶晶圓之表面附近形成電氣電路，故在相關的 領域形成有B M D之情形，即有氧化耐壓特性（T Z D B :Time Zero Dielectric Breakdown )等電氣特性顯者降低的 問題。 爲改良此等問題’於半導體元件製作步驟之前通常採 用固有吸氣（Intrinsic Gettenng ’以下稱作I G )熱處理 作爲施加特定的前熱處理之方法。 此爲於利用已含有晶格間氧之C Z法所製造的政晶圓 . 1 --------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -4- 513768 A7 B7 五、發明說明（2 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 施以高溫熱處理，藉由矽晶圓中的氧原子之外方擴散使晶 圓表面之晶格間氧氣濃度降低，於表面附近使形成無缺陷 層後施以低溫之氧析出核形成熱處理，使晶圓內部形成B M D的處理方法。 藉由此處理，成爲半導體元件製作領域之晶圓表面無 缺陷，且混入晶圓內部之B M D在熱處理步驟等的重金屬 雜質之吸氣源，可得高品質晶圓。 然而，在近年之更進一步高積體化的半導體元件，於 I G熱處理後於矽晶圓表面上在不充分降低晶格間氧濃度 下BMD會殘留著，又結晶成長中進入單晶中之內生長的 (grown-in )缺陷（Semicond Sci. Techno· 7，1992，135 )係 殘留於矽單晶晶圓上（Jpn. Appl. Phys. Vol. 36，1997 L5 9 1-L5 94 )會有使元件之電氣特性劣化的問題。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 爲改善此等問題，有使於矽單晶晶圓上進行磊晶成長 而得高品質半導體矽單晶晶圓之方法。磊晶成長係與利用 C Z法之單晶成長在成長的機構方面本質上不同，例如於 使用S H 2 C 1 2作爲原料氣體之情形，在高溫分解的S 1 C 1 2分別進行化學性吸附至空心架橋位置（hollow bridge site )。 其次以與Η 2分子間之表面反應使C 1 2脫離而S 1進 行磊晶成長，於矽單晶晶圓上以有規則的平行狀態成長。 因此，若依此方法時，利用C Z法之矽單晶的成長可予觀 察的成長花紋則未被導入，乃可得無內生長的缺陷之微小 缺陷的高品質半導體元件製造之晶圓。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A-i規格（210 X 297公釐） -5- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 513768 A7 B7 五、發明說明（3 ) 發明欲解決的課題 然而，爲使進行磊晶成長而用的矽單晶晶圓中之晶格 間氧濃度較高的情形，利用磊晶成長中的熱處理，矽單晶 中之晶格間氧原子在磊晶層中擴散而會形成缺陷（第4 2 次應用物理學關係聯合演講預稿集，1 9 9 5年春2 8 p z w - 8 )，發現半導體元件之電氣特性會惡化的情形。 亦有在磊晶成長之前進行高溫熱處理而降低矽單晶晶 圓之晶格間氧濃度的製造方法被提出作爲此對策，惟因追 加有熱處理步驟，在工業規模上生成成本會變高的新問題 點。 ’ 本發明係有鑑於上述的習知技術之問題點而完成者， 其目的係藉由採用由低氧濃度之矽單晶切出的矽晶圓於磊 晶晶圓上，可廉價的提供電氣特性良好的半導體矽單晶晶 圓。 解決問題而採的手段 爲解決上述課題，本發明之第一態樣之特徵在於利用 CZ法製造電阻係數〇.〇〇5〜0.02Ω· cm，氧 濃度 12xl〇 17a t oms/cm3 (ASTM>79 )以下的半導體矽單晶，加工該矽單晶而得矽單晶晶圓， 於該矽單晶晶圓上使矽單晶進行磊晶成長。 又，本發明方法之第二態樣之特徵在於利用C Z法製 造電阻係數1〜30Ω· cm，氧濃度12xl〇17at 本紙張尺度適用中國國家標李（CNS)A4規格（210 x 297公釐） - . --------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -6 - 513768 A7 B7 五、發明說明（4 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 〇ms/cm3 (ASTM / 79)以下的半導體矽單晶， 加工該矽單晶而得矽單晶晶圓，於該矽單晶晶圓上使矽單 晶進行嘉晶成長。 上述矽單晶係以日本特開昭5 6 — 1 0 4 7 9 1號公 報等所揭示的單晶中之氧濃度的降低上有效之M C Z ( Magnetic field applied Czochralski，磁場應用柴可斯基法） 法予以製造爲較合適的。 於本發明即使採用由C Z法及M C Z法之任一種方法 製造的低氧濃度之矽單晶亦有相同的效果，惟爲得低氧濃 度之矽單晶，以利用M C Ζ法製造係較有效的。 於現在約半導體元件製造一般常用的晶圓之電阻係數 係在通常的晶圓爲1〜30Ω· cm，可期待作由於硼之 高濃度摻雜引起的吸氣或閉鎖對策之效果的晶圓以採用 0 · 0 0 5〜0 · 0 2Ω· cm爲較普通的，惟本發明係 對即使在一種電阻係數之晶圓亦可適用的。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 採用由本發明方法製造的晶圓，製作Μ〇S二極體， 在評估其氧化膜耐壓特性之情形顯示出優越的電氣特性， 惟來自氧濃度超過12xl〇17a t oms/cm3 (a S Τ Μ > 7 9 )的半導體矽單晶之晶圓，在製作Μ〇S二 極體之情形的電氣特性會降低。 本發明之半導體矽單晶晶圓，係採用上述的本發明方 法予以製造且其氧化膜耐壓等之電氣特性優越者。 實施例 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 513768 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（5 ) 以下，舉製造例及實施例再進一步具體說明本發明。 p造例1 於i甘渦半徑2 2 中尺度之石央增禍內塡入原料多晶 石夕1 1 0 kg ’添加硼使成1 0Ω_ cm之電阻係數。爲 去除由砂熔融物蒸發的S i 0異物，調整a r氣及成長擔 內的壓力，利用電阻加熱之加熱器熔解原料多晶砂後於砂 熔融物內浸入晶種，晶種旋轉係以逆時鐘方向，i甘堝則以 順時鐘方向使以6 r p m旋轉，利用熱應力使在擰扭步驟 使進入晶種的轉位消失，利用C Z法成長直徑2 〇 〇 m m (8 〃 0 )之矽單晶。測定此矽單晶之氧濃度並示於表工 。且在此的氧濃度測定値，係利用A S T Μ / 7 9方法測 定之値。 製造例2 爲成長低電阻結晶，除在其他批次添加硼使成〇 . 〇 1 2 Ω · c m之電阻係數外’餘與製造例1同樣條件成長 直徑2 0 0 m m之矽單晶’測定此矽單晶之氧濃度示於表 1 ° 比較製造例1 供比較用，於2 4〃 0尺度之石英坩堝內塡入丄5 0 k g多晶砂，添加5 〇 k g多晶矽使成1 〇 Ω . c m之 電阻値外’餘與製造例1同樣條件成長矽單晶，測定此矽 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） * . --------tT---------線· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -8- 513768 附件：第881〇578〇號專利申請案Α7 中文說明書修正頁 Β7 民國90年3月修正

五、發明說明（6 ) 單晶之氧濃度，示於表 比較製造例2 除添加硼使成0 · 0 1 2 Ω · c m之電阻係數外，餘 與比較製造例1相同的條件成長矽單晶，測定此矽單晶之 氧濃度，示於表1。 表 1_____ 提升法 坩堝口徑 (”0 ) 多晶矽塡 入量（kg) 電阻係數 (Ω .cm ) 氧濃度 (X 1 017 a t 〇 m s /cm3) 製造例1 CZ法 22 110 10.00 10.60 製造例2 CZ法 22 110 0.012 12.00 比較製 造例1 CZ法 24 150 10.45 14.56 比較製 造例2 CZ法 24 150 0.01 1 14.75 製浩例3 於坩堝直徑2 4 "尺度之石英坩堝內塡入原料多晶矽 150kg，添加硼使成1〇Ω· cm之電阻係數。於成 長爐之周圍採用配置有橫磁場發生裝置之MC Ζ法。爲去 除由矽熔融物蒸發的S i〇異物，調整A r氣及成長爐內 之壓力，利用電阻加熱之加熱器熔解原料多晶矽，以熔融 物之中心強度，對橫磁場施加4 ·0 0 0 G (高斯）後於矽 張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇χ 297公釐) [Τ] ' 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 513768 A7 五、發明說明（7 ) 熔融物內浸入晶種使朝反時鐘方向旋轉，坩堝朝順時鐘方 向以1 · 3 r p m旋轉。利用熱應力使在擰扭步驟使進入 晶種的轉位消失，成長直徑2 0 〇 m m ( 8 〃 0 )之矽單 晶。測定此矽單晶之氧濃度並示於表2。且在此的氧濃度 測定値，係利用A S T Μ / 7 9方法測定之値。 製造例4 爲成長低電阻結晶，除在其他批次添加硼使成〇 ·〇 1 2 Ω · c m之電阻係數外，餘與製造例3同樣條件成長 直徑矽晶圓。 表2 提升法 坩堝口徑 (”0 ) 多晶矽塡 入量（kg) 電阻係數 (Ω .cm ) 氧濃度 (x 1 017atoms /cm3) 製造例3 MCZ 24 150 10.52 11.80 製造例4 MCZ 24 150 0.012 11.84 實施例1 對由製造例1而得的矽單晶施加圓筒硏削，切成薄片 ，硏磨及拋光之各種處理，而得晶圓。對此晶圓施以膜壓 6 β m之磊晶成長。磊晶層之電阻係數係予個別調整成 1 2 Ω · cm。 再者，爲模擬半導體製造之熱處理製程，對上述的磊 晶晶圓施以1 0 〇 〇 °C 4小時（D r y〇2 ) + = 4^裝--------tr--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -10- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 513768 A7 B7____ 五、發明說明（8 ) 1 1 5 0 °C 1 3小時（N 2 ) + 1〇〇〇°C 6小時（ D r y〇2 )之C Μ〇S熱處理。淸洗此等經處理的晶圓， 進行閘極氧化，製作1 0 n m之氧化膜，製作多晶矽閘之 Μ〇S二極體。 對此Μ〇S二極體，以閘電極之面積8 m m 判定電 流ImA/cm 二極體之測定數爲1 0 0個/晶圓，以 通過氧化膜使施加於電流密度爲1 m A / c m 2時之各該氧 化膜的電場爲表示1 Ο Μ V / c m以上的特性之元件爲良 品，並算出其數量。以此良品數除以所測定的二極體之全 部測定數的數値爲C形態率（良品率）予以評估電氣特性 〇 本實施例（高電阻係數c Z法低氧品）之c形態率爲 平均9 2 %，顯示出極良好的電氣特性。且電氣特性之評 估係各自使用2片晶圓。本實施例C形態率與下述實施例 2 (低電阻係數C Z法低氧品）之C形態率係記於第1圖 實施例2 採用製造例2所得的矽單晶，與實施例1同法製作多 晶矽閘之Μ〇S二極體，同樣的評估電氣特性。本實施例 (低電阻係數C Ζ法低氧品）之C形態率，係平均8 6 % ，顯示出良好的電氣特性。本實施例之C形態率與上述實 施例1 (高電阻係數C Ζ法低氧品）之C形態率倂記於第 1圖。 一 ：---------------^--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -11 - 513768 A7 _____B7______ 五、發明說明（9 ) 實施J 3 採用製造例3所得的矽單晶’與實施例1同法製作多 晶矽閘之Μ〇S二極體，同樣的評估電氣特性。本實施例 (高電阻係數M C Ζ法低氧品）之C形態率，係平均8 3 %，顯示出良好的電氣特性。本實施例之c形態率與下述 實施例4 (低電阻係數M C Z法低氧品）之C形態率’係 平均8 3 %，顯示出良好的電氣特性。本實施例之C形態 率與下述實施例4 (低電阻係數M C Z法低氧品）之c形 態率倂記於第2圖。 實施例4 採用製造4所得的矽單晶，與實施例1同法製作多晶 矽閘之Μ〇S二極體，同樣的評估電氣特性。本實施例（ 低電阻係數M C Ζ法低氧品）之C形態率’係平均8 7 % ，顯示出良好的電氣特性。本實施例之c形態率與上述胃 施例3 (高電阻係數M C Z法低氧品）之◦形態率併g己於 第2圖。 比較例1 採用與比較製造例1而得的矽單晶’以與實施例1胃 法製作多晶矽閘之Μ〇S二極體，同樣的評估電氣特性。 本比較例（高電阻係數C Ζ法高氧品）之c形態率’ {系平 均6 8 %，電氣特性降低。本比較例之C形態率與T述的 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ---------訂---------_ 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製

3張尺度適用中國國家標奉（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 513768 A7 B7 五、發明說明（1〇 ) 比較例2 (低電阻係數C Z法高氧品）之C形態率倂記於 第3圖。 [:卜，較例2 _ 採用與比較製造例2而得的矽單晶’以與貫施例1同 法製作多晶矽閘之Μ〇S二極體，同樣的§平估電氣特丨生。 本比較例（低電阻係數C Ζ法高氧品）之C形態率，係平 均5 8 %，電氣特性大幅降低。本比較例之^形態率與上 述的比較例1 (高電阻係數C Z法高氧品）之C形態率倂 記於第3圖。 由上述的實施例1〜4及比較例1〜2之電氣特性之 測定結果顯而可知，結晶中之氧濃度較低的砂單晶之晶圓 (實施例1〜4 )，顯示出氧化膜耐壓之^形皆、率大力女超 過8 0 %的良好特性，惟高氧品（比較例1〜2 )之C形 態率爲約5 5〜7 0 %。因此如實施例1〜4所示般’藉 由使於低氧濃度矽晶圓內進行磊晶成長可得優越的電氣特 性，惟另一方面如比較例1〜2所示般使於高氧濃度矽晶 圓內進行磊晶成長的情形，可得知電氣特性會降低。 發明之功效 如上述般，依本發明係具有可廉價的製造電氣特性優 越的半導體矽單晶晶圓。 圖式之簡單說明 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ——-----------------^--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -13- 513768 A7 B7 五、發明說明（11 ) 第1圖爲表示於實施例1及2之M〇S二極體的電氣 特性之圖。 第2圖爲表示於實施例3及4之Μ〇S二極體的電氣 特性之圖。 第3圖爲表示於比較例1及2之MO S二極體的電氣 特性之圖。 、 *------裝--------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -14-

Claims (1)

1. 513768 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1 · 一種半導體矽單晶晶圓之製造方法，其特徵在於 利用C Z ( Czochralski )法製造電阻係數0.005〜 〇·〇2Ω· cm，氧濃 Jtl2xl017at〇ms/ c m 3 ( A S Τ Μ / 7 9 )以下的半導體矽單晶，加工該矽 單晶而得矽單晶晶圓，於該矽單晶晶圓上使矽單晶進行磊 晶成長。 2 · —種半導體矽單晶晶圓之製造方法，其特徵在於 利用C Z ( Czochralski )法製造電阻係數1〜3 0 Ω · cm ，氧濃度 1 2xl〇17a t 〇ms/cm3 ( A S Τ Μ / 7 9 )以下的半導體矽單晶，加工該矽單晶而 得矽單晶晶圓，於該矽單晶晶圓上使矽單晶進行磊晶成長 〇 3 ·如申請專利範圍第1項或第2項之半導體矽單晶 晶圓之製造方法’其中利用M C Ζ (磁場應用柴可斯基法 ，Nlagnetic field applied Czochralski )法予以製造。 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 徵製 特法 其方 ， 之 圓 項 晶 I 晶任 單之 矽項 體 3 導第 半至 的項 越 1 優第 性 圍 特範 氣利 電專 種請 一 申 •用 4 利 於。 在造 本紙張尺度通用中國國家榡準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -15-