515008 Α7 Β7 五、發明説明(1) 〔技術領域〕 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明爲最適合於製造矽晶圓(或退火晶圓)之矽晶 圓之製造方法,其係對由摻入氮而拉晶之切克勞斯基法( c Z法)生長之單晶砂所製作之砂晶圓施予熱處理( annealing),以製造晶圓表層部有無缺陷層,而在基體部 形成內在除氣(Intrinsic gettering,簡稱I G )層之矽晶 圓(或稱退火晶圓)。 〔技術背景〕 隨著半導體裝置之高積體化,細微化,人們強烈要求 晶圓表層之整層之完整性與基體中之除氣能力之強化。對 此要求,最近藉由對摻入氮之C Z法製成之矽晶圓實施熱 處理而開發了同時滿足上述兩項要求之晶圓。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 亦即,藉由C Z法製成之單晶矽摻入氮,剛生長(as grown)結晶中之內部生長(grown-in)缺陷(主要在原子 空孔之聚集體所形成之空隙缺陷)之尺寸變小,因此藉由 後工程之高溫退火,晶圓表層部之無缺陷化變得容易,而 且在基體部由於氮具有之氧析出促進效果,經過析出熱處 理與裝置熱處理工程,而形成具有高密度之有助予除氣( gettering )之氧析出物等之缺陷(以下有時稱爲B M D,即 Bulk micro defects ) 〇 可是,形成於C Z法矽晶之基體部,而有助於除氣之 B M D之密度與影響表層部之無缺陷層之形成之內部生長 缺陷之尺寸通常具有面內分布爲習知,尤其在晶圓之中心 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) Α4規格(210Χ 297公釐) -4 - 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 515008 Α7 Β7 五、發明説明(2) 附近,B M D密度與內部生長(grown_in)缺陷尺寸皆大’ 在晶周邊,兩者有慢慢降低之傾向。 此種傾向在摻入氮結晶也相同,雖然B M D密度與內 部生長缺陷之尺寸之絕對値會變化,但在具有面內分布這 一點是不變的。因此,在對表層部施予用於形成無缺陷層 之高溫退火之後,在退火晶圓之中心部分特別容易留下內 部生長缺陷。
另外,關於決定本體之除氣能力之析出熱處理之後之 B M D密度,經過本發明者之諷查,在晶圓周邊部B M D 密度降低之傾向特別對摻入氮之晶圓更顯著一事超於明確 〇 如上所述,退火晶片所要求之形成於晶圓表層部之無 缺陷層,以及析出處理或裝置熱處理後之B M D密度之任 何特性現在尙存在不均勻之問題。 〔發明之揭示〕 因此,本發明係爲解決此種問題而完成者,其目的在 提供一種適合製造退火晶圓之矽晶圓之製造方法以及該項 矽晶圓,該退火晶圓可以抑制熱處理後之退火晶圓所見之 無缺陷層之面內分散(亦即,內部缺陷尺寸之面內分散) ,以及析出熱處理或裝置熱處理等熱處理後之BMD密度 之面內分散,並在面內均勻地具有充分之無缺陷層與 B M D密度。 爲達成上述目的,與本發明之矽晶圓之製造方法有關 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) Α4規格(210Χ297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 -5- 515008 Α7 Β7 五、發明説明(3) 之發明係由切克勞斯基法摻入氮而拉起之單晶矽製作矽晶 圓,再對該矽晶圓施予熱處理之矽晶圓之製造方法,其特 徵爲拉起上述單晶矽時之拉晶速度V ( m m /分鐘)與固 液界面之溫度梯度G (K/mm)之比V/G係在拉起結 昌之直徑方向之90%以上之範圍內成爲0.175至 0 . 2 2 5mm2/K ·πι;ί η爲條件培養之。 由摻入此種條件下培養久氮之單晶矽切下之矽晶圓在 內部生長(groron-in)缺陷尺寸之面內分布與BMD密度 之面內分布皆可以成爲均勻。因此,如對其進行高溫熱處 理,即可獲及無晶圓表層部之無缺陷層之面內分散,而本 體部之BMD密度在面內均勻而高密度之I G能力強之退 火晶圓。
此時,上述矽晶圓中之氮濃度以1 X 1 〇 1 3至5 X 1 0 1 5個/ c m 3爲理想。 如將氮濃度侷限於上述範圍,內部生長缺陷之尺寸變 小之效果充分,另外,也不致對單晶之培養有不良影響, 所以容易利用後工程之高溫退火進行晶圓表層部之無缺陷 化,同時由於基體部之具有氮之氧析出之促進效果,經過 析出熱處理與裝置熱處理即可形成具有高密度有助於除氣 之B M D之I D層。 而依據本發明即可提供一種矽晶圓,其可以抑制熱處 理後之退火晶圓所見之無缺陷層之面內分散,以及析出熱 處理或裝置熱處理等之熱處理後之B MD密度之面內分散 ,並在面內具有均勻而充分之無缺陷層與BMD密度之退 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) Α4規格(210 X 297公釐) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、11 %·. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -6- 515008 A7 B7 五、發明説明(4) 火晶圓。 依據本發明,即可形成內部生長缺陷尺寸之面內分布 及BMD密度之面內分布均勻之摻入氮之矽晶圓。因此, 如對其實施高溫熱處理,即可製造無晶圓表層部之無缺陷 層之面內分散,而本體部具有BMD密度在面內均勻之I G層之退火晶圓。 圖式之簡單說明 第1圖爲表示本發明之V/G與BMD之關係之圖。 第2圖爲表示本發明之V/G與內部生長缺陷尺寸之 關係之圖。 第3圖係有關於實施例1 ,比較例1與比較例2之結 晶拉起時之結晶方向之V/ G之分布圖。 第4圖係有關於實施例1,比較例1與比較例2之拉 起結晶之結晶直徑方向之內部缺陷尺寸之分布圖。 第5圖係有關於實施例1 ,比較例1與比較例2之拉 起結晶之結晶直徑方向之BMD密度之分布圖。 第6圖爲本發明所使用之C Z法所使用單晶拉晶裝置 之槪略說明圖。 主要元件對照表 1 :單晶棒 2 :矽熔液 5 :晶種 本紙張尺度適用中.國國家標準(CNS ) A4規格(210 X 297公釐) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
、1T 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 515008 A7 B7 五、發明説明(5 ) ' 6 :種晶夾頭 7 :鋼絲 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 8 ··固液界面斷熱材料 9 :上部圍繞隔熱材料 1 0 ··空隙 3 0 :單晶拉晶裝置 3 1 : k晶室 3 2 :坩堝 3 3 :坩堝保持軸 3 4 :加熱器 3 5 :斷熱材料 3 6 :冷卻裝置 實施發明之最佳形態 以下就本發明再詳細說明。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本發明人發現要製作在面內具有均勻而充分之無缺陷 層與B M D密度之退火晶圓,必須準備之矽晶圓不具有形 成於基體部(bulk )而有助於BMD之密度,以及影響表層 部之無缺陷層之形成之內部生長缺陷之尺寸之面內分布。 亦即,本發明人針對現狀製造成退火晶圓之用之摻入 氮之C Z法矽晶圓施加高溫退火後之晶圓表層部之內部缺 陷密度,以及追加熱處理後之B M D密度進行銳意調查。
結果,知道在晶圓中心部分殘留之缺陷數多,B M D 密度也高,但是在晶圓周邊部分殘留之缺陷數少,B M D 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) Α4規格(210Χ297公釐) -8- 515008 A7 B7 五、發明説明(6) 密度也低。另外,在其中間之位置(以下簡稱R / 2位置 ,R爲晶圓之半徑),殘留缺陷普通地少,B M D密度也 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 普通地高。 在此三處之中,R/2位置在表層部之完整性與基體 中之除氣能力之平衡最好。亦即,如能將該R / 2位置之 狀態擴充至晶圓面內,即可獲及面內均勻而高品質之晶圓 〇 於是,爲了擴大該R / 2位置之狀態,調查了 B M D 與內部生長(grown-in)缺陷之分布與C Ζ法單晶矽之拉晶 法之相互關係。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 結果,發見了內部生長缺陷尺寸與BMD密度之面內 分布變成不均勻之原因至少由於結晶培養時之控晶速度V (m m /分鐘)與由矽之熔點到1 4 0 0 °C之範圍內之拉 晶軸方向之固液界面之溫度梯度G ( K /m m )之比V / G在面內具有分布,亦即V/ G在面內變動所致。因此, 不管晶圓面內之位置,爲了將內部生長缺陷與BMD密度 設成企望之値,將目標定爲求取必要之具體之V / G値。 以下就此加以說明。 內部生長缺陷會受V / G之影響已屬周知,所以利用 拉晶裝置之特定之熱區(hot zone,簡稱HZ,爐內構造) 將捲入拉牽結晶中之氮濃度設定爲1 X 1 〇 1 3個/ c m 3, 以由1.0至1·4mm/分鐘之範圍內選出之拉晶速度 進行多個結果之培養,以調查各V / G之面內分布與內音[5 生長缺陷之尺寸之關係及與8 0 0 CTC X 4小時+ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) ' ' ' -9 - 515008 A7 B7 五、發明説明(7) 1 0 0 0°Cxl 6小時之熱處理後之BMD密度之關係。 其結果如第1圖及第2圖所示。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 第1圖爲表示就晶圓面內之中央部,R/2部,周邊 部(由晶圓外周起算1 〇 m m之位置)所測定之B M D密 度之全部資料與V/G之關係,顯示BMD密度與V/G 有直接關係。當V/G小於〇 . 19〇mm2/K.mi η 時,即下降至除氣能力不充分之1 χ 1 〇 9個/ c m 3以下 。亦即,爲獲得高密度之B M D,不管晶圓面內之位置, 只要將V/G設成大於〇 · 1 75mm2/K ·ιηί η即可 ο 另一方面,第2圖爲表示利用〇Ρ Ρ ( optional precipitate profiler)相對評估內部生長缺陷之尺寸,以調 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 查與V / G之關係之結果。與第1圖相同,表示針對晶圓 之面內中央部,R/2部,周邊部所測定之〇PP尺寸之 全部資料與V/G之關係,表示0PP尺寸與V/G有直 接關係。亦即,首先發現當V / G小於〇 . 2 2 5 m m 2 / Κ ·ιηί η時,內部生長缺陷之尺寸急劇變小,在超過 0 · 225mm2/K.mi η之範圍時,內部生長缺陷之 尺寸之値大到傾向飽和。因此,爲使成爲以熱處理容易消 滅之小尺寸之內部生長缺陷(grown_in defect),不拘晶圓 面內之位置,將V / G設成小於0 . 2 2 5 m m 2 / K · m i η即可。 由以上第1圖及第2圖之結果來看,要將摻雜氮氣之 C Ζ法單晶砂拉牽上來時’如果將V/ G製造成爲結晶之 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) Α4規格(210Χ297公釐) " -10- 515008 A7 B7 五、發明説明(8) 直徑方之0 . 175至0 . 225mm2/K*mi η之範 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 圍內,則在晶圓面內不致成爲不均勻,因爲內部生長缺陷 尺寸小至恰到好處,所以可以製得在晶圓整面可以充分消 滅內部生長缺陷,且形成有適當之BMD密度之退火晶圓 〇 在此,拉牽結晶之外周部具有決定內部生長缺陷之尺 寸與B M D密度之點缺陷(point defect )在結晶培養中向 外部擴散。因此,在拉牽結晶之外周端到半徑之5 %左右 爲止之區域(例如拉起直徑2 0 0 m m之結晶時,由外周 端起算1 0mm爲止)中,內部生長缺陷之尺寸與BMD 密度與V / G之關係變鬆。亦即,在本發明適用V / G之 範圍係除去拉牽結晶之直徑方向之兩外周部各5 %之至少 9 0 %之區域,該區域中,視拉晶條件而在9 0至1 0 0 %之範圍內變動。 以下,一邊參照圖式,一邊詳細說明本發明。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 首先,根據第6圖說明本發明所使用之C Z法之單晶 抽晶裝置之構造例。如第6圖所示,該單晶拉晶裝置3 0 係由抽晶室3 1 ,設置於拉晶室3 1中之坩堝3 2,配置 坩堝3 2之周圍之加熱器3 4,使坩堝3 2旋轉之坩堝保 持軸3 3以及捲取機構(未圖示),保持矽之晶種(seed crystal) 5之晶種夾頭(seed chuck) 6,拉牽晶種夾頭6 之鋼線7,以及旋轉或捲取鋼線7之捲取機構(未圖示) 。坩堝3 2在收容矽熔液2之內側之一側設有石英坩堝, 其外側設有石墨坩堝,而在加熱器3 4之外側周圍配置隔 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X 297公釐) -11 - 515008 A7 ___B7 _ 五、發明説明(9) 熱材料3 5。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 另外,本發明之製造方法有關之製造條件,即將V / G之適當範圍擴大到直徑方向及軸方向之方法可以習知方 法進行。亦即,例如結晶之固液界面之外周設置固液界面 隔熱材料8,並其上面設置有上部圍繞隔熱材料9之HZ ’俾將結晶周邊之溫度梯度(G e )與結晶中心之溫度梯 度(G c )之差(G e - G c )縮小以致固液界面溫度梯 度G在面內成爲平坦化。該固液界面隔熱材料8係設置成 其下端與矽熔液2之液面之間留有3至5公分之空隙1 0 。上部圍繞隔熱材料9視條件有時不使用。另外,也可以 設置勁吹冷卻氣體或絕斷輻射熱以冷卻單晶之圓柱形冷卻 裝置3 6 〇 另外,最近常有人利用在抽晶室3 1之水平方向之外 側設置未圖示之磁鐵並對矽熔液2施加水平方向或垂直方 向等之磁場以抑制熔液之對流並求單晶之穩定成長之所謂 M C Z 法。 接著要就利用上述之單晶拉晶裝置培養方法加以說明 〇 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 首先在坩堝3 2內將矽之高純度結晶原料加熱至熔點 (約1 4 2 0 °C )以上熔融之。氮摻雜可藉由例如在矽原 料中投入附有氮化膜之矽晶圓實施之。然後,藉由捲出鋼 絲7使晶種(seed crystal ) 5之前端接觸或浸漬於溶液2 之表面靠中心部分。然後,將坩堝保持軸3 3旋轉至適當 之方向,同時,一邊捲出鋼絲7 —邊拉牽捲取晶種5以開 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X 297公釐) -12- 515008 A7 B7 五、發明説明( 始單晶培養。嗣後,藉由調節拉晶速度與溫度即可製得大 致上圓柱形狀之單晶棒1。 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 所製得之單晶棒可以利用一般之方法,以鋼鋸等切割 ,並施予倒稜,拋光,蝕刻,硏磨等而製成摻雜氮之矽晶 圓。 接著,本發明中再對所製得之矽晶圓實施熱處理。如 此一來,在表面即均勻地形成無缺陷層,而在基體部會高 密度地發生BMD。具體之熱處理條件係使用一般之加熱 器之分批式爐,而在氬等之惰性氣體,氫,或該等之混合 氣氛下進行1 0 0 0至1 3 5 0 °C,1小時以上之熱處理 (例如,1 2 0 0 °C,1小時;或1 1 5 0 °C,4小時等 )。另外,也可以利用燈泡加熱等之快速熱退火裝置( R T A ) (Rapid thermal annealing device)進行快速加熱 •快速冷卻之熱處理,或並用分批式爐與RTA裝置之熱 處理 以下,要提出本發明之實施例與比較例具體地說明本 發明,惟本發明並不侷限於該等例子。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 (實施例1 ) 實施例1係利用結晶中心溫度梯度G c = 3 · 5 4 3 〔K/mm〕,結晶周邊溫度梯度Ge = 3 . 933 〔K /mm] ,Ge— Gc = 0 . 390 〔K/mm〕之具有 比較上G e - G c之値較小之Η Z之單晶拉晶裝置,將拉 晶速度調整爲約〇 . 7 4 m m /分鐘,而拉出直徑6吋之 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) -13 - 515008 A7 B7 五、發明説明(1》 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 摻入氮之單晶矽。氮摻雜法係將矽原料中投入附有氮化膜 之矽晶圓,而使拉牽結晶之肩部(shoulder)之位置之氮濃 度(計算値)成爲2 X 1 0 1 3 / c m 3。此外,氧濃度則調 整爲1 4至1 5 ppma 〔 J E I DA (日本電子工業振 興協會)規格。 第3圖表示結晶拉牽時之V / G之結晶直徑方向之分 布。V/ G之直徑方向整體皆位於約〇 . 1 8 0至 0 . 223mm2/K.mi n 之範圍內。 由被拉牽之結晶製成了矽晶圓,並以〇P P法測定內 部生長缺陷之尺寸後,施加8 0 0 °C,4小時+ 1 0 0 0 °C,1 6小時之析出熱處理以形成B M D,並以〇P P法 測定B M D密度。內部生長缺陷尺寸之測定結果表示於第 4圖,而B M D密度之測定結果表不於第5圖。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 內部生長缺陷爲可藉由1 2 0 0 °C,1小時之氬氣氛 充分地消滅之尺寸(小於1 . 5 )(第4圖),面內分布 也小。另外,B M D密度在晶圓面內任何位置皆爲約2至 5χ 1 09/cm3,獲得了高密度而均勻之面內分布(第 5圖)。 (比較例1,比較例2 ) 做爲比較例1 ,2,使用了 G c = 3 · 7 7 8 〔 K / mm〕,Ge = 4.904〔K/mm〕,Ge— Gc = 1.126 〔K/mm〕之具有比較上Ge-Gc之値較 大之Η Z之單晶拉晶裝置,在比較例1將拉晶速度調整爲 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) " "" -14- 515008 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 _五、發明説明( 約0 · 8 4 m m /m i η,在比較例2調整爲約0 · 8 7 m m /m i η而拉上直徑6吋之摻氮單晶矽。氮摻雜係在 矽原料中投入附有氮化膜之矽晶圓’並使拉牽結晶之肩部 位置之氮濃度(計算値)成爲2x 1 013/cm3。另外’ 氧濃度調整爲14至15ppma 〔JEIDA〕。 比較例1 ,比較例2之拉晶吋之V / G之結晶直徑方 向之分布附記於第3圖。在比較例1中V / G位於 0 · 175至0 · 225mm2/K*mi η之範圍內者爲 由結晶之中心起算到約6 2 m m之範圍爲止之約8 3 % ’ 而比較例2之情形爲由結晶之中心起算向外周方向之約 3 0 m m之位置到約6 6 m m之位置爲止之約4 8 %。 由被拉牽之結晶製作了矽晶圓並以〇P P法測定內部 .生長缺陷之尺寸後,施加8 0 0 °C,4小時+ 1 0 0 0 °C ,:L 6小時之析出熱處理而形成B M D,並以Ο P P法測 定B M D之密度。 內部生長缺陷之尺寸之測定結附記於第4圖,B M D 密度之測定結果附記於第5圖。 在比較例1之晶圓中心,內部生長缺陷尺寸較小,在 晶圓周邊部成爲很小,缺陷尺寸之面內分布固然廣大,但 是整體上爲不易以退火消滅之尺寸之缺陷。可是,關於析 出熱處理後之B M D密度卻發現在V / G値低之晶圓周邊 部BMD密度降低至2x 1 08/cm3左右,在周邊部之 除氣能力低,而面內布大。 在比較例2中,關於B M D密度,在面內雖達約1 X 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) Α4規格(210X297公釐) ^ -15- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ·«· 訂 %·. 515008 A7 B7 五、發明説明(1全 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 1 〇9/cm 3以上,但因內部生長缺陷尺寸之面內分布大 ,特別是晶圓中心之尺寸相當大,所以即使進行1 2 0 0 °C,1小時之氬氣氛之退火,中心部分之內部生長缺陷也 會殘留一部分。 由此等結果可知,在比較例1 ,2所使用之拉晶裝置 之Η Z時,爲使內部生長缺陷之尺寸與BMD密度雙方在 面內分布均勻,即使將拉晶速度控制於0 . 8 4至 〇 . 8 7 mm/分鐘之有限範圍內也非常困難。 另外,本發明並不侷限於上述實施形態。上述實施形 態僅爲例,凡具有與本發明之申請專利範圍所記載之技術 思想與實質上相同之構造而發揮相同之作用效果者,不拘 任何形式皆包含於本發明之技術範圍 例如,在上述實施形態中,係針對培養直徑6吋之單 晶矽之情形舉例說明,但本發明並不侷限於此,也可應用 於直徑8至1 6吋或更大之單晶矽。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 另外,本發明也可適用於在矽熔液中施加水平磁場, 縱磁場,尖端磁場(cusp magnetic field)等之所謂M C Z 法,自不得言。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) Α4規格(210Χ297公釐) -16-