TW531575B - Silicon wafer and the manufacturing method of the same - Google Patents

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經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 531575 A7 B7 五、發明說明（1 ) 技術領域 本發明是有關以柴可勞斯基（Czochralsld )法（C Z 法）拉提矽單晶時於結晶內部發生結晶缺陷，經過之後的 熱處理使其更易消滅的矽晶圓。 背景技術 用以作製半導體積體電路等裝置的晶圓，主要是採用 以柴可勞斯基法（C Z法）育成的矽單晶圓。一旦這種矽 單晶圓內有結晶缺陷存在，則在作製半導體裝置時就會造 成不良品等情形。特別是近年來高度積體化的裝置其圖形 寬幅都在0 · 3 // m以下堪稱非常細微之故，當形成此種 圖形時，大小0 · 1 // m的結晶缺陷之存在就能成爲不良 品等之原因，使得生產效能或品質特性顯著降低。因此存 在於矽單晶圓內部的結晶缺陷在大小及密度上必須極力減 少。 尤其在最近的報告指出，經由C Z法育成的矽單晶內 ，有種稱爲內生（Grown-in )缺陷，是在結晶成長中所導 入的結晶缺陷。這種結晶缺陷的主要發生原因，是在單晶 製造中凝集的原子空孔串團（Cluster)或從石英財鍋混入 氧原子凝集體的氧析出物等所造成。一旦這些結晶缺陷存 在於裝置形成所在之晶圓表層部，就會成爲造成裝置特性 劣化的有害缺陷，因此我們希望降低這種結晶缺陷，製作 一種表層部能有充分深度的無缺陷層（D Z )的矽晶圓。 上記內生缺陷中，空洞型缺陷的內生缺陷之形狀，目 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---ί---.------衣--------^訂--------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -4- 531575 A7 B7 五、發明說明（2 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 前已知係由八面體爲基礎的空洞以數個相連而成之構造， 大小約1 0 0〜3 0 0 n m，表面包覆著氧化膜（M. Kato, Τ· Yoshida，Υ· Ikeda and Y. Kitagawa，Jpn. J. Appl. Phys. 35,5597,1996)。 圖3及圖4爲這些空洞缺陷投影於{ 1 1 〇 }面上的 穿透型電子顯微鏡觀察圖。此缺陷被認爲係以柴可勞斯基 法製造單晶的過程中，於1 1 5 °C附近的溫度帶下，原子 空孔凝集所致。此種空洞缺陷，一旦存在於用以形成裝置 之晶圓表層部（0〜5 // m )就會導致裝置特性劣化，因 此我們將開始檢討各種可使這類缺陷減少的方法。 發明的開示 本發明有鑑於這類問題點，故將目的鎖定在提高熱處 理減低空洞缺陷的效果，使無缺陷層能向更深處擴大以獲 得更適的矽晶圓。 本發明爲了解決以上課題，先將柴可勞斯基法拉提矽 單晶棒加工成矽晶圓，其特徵爲內部含有棒狀空洞缺陷或 /及板狀空洞缺陷的矽晶圓。 經濟部智慧財J局員工消費合作社印製 像這樣以C Z法玉成單晶棒之時，因內部所含之缺陷 形狀是棒狀或/及板狀之故，缺陷的表面積對缺陷體積之 相對比率較八面體缺陷爲高，故在進行熱處理之時能減低 更深層領域的缺陷。 此外這裡所謂的缺陷形狀爲棒狀或/及板狀，是意味 著不同於先前晶圓內部所含之八面體形狀或球狀的空洞缺 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -5 - 531575 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明f ) 陷。 例如，在使用穿透型電子顯微鏡觀察晶圓內部的情況 下，一旦對缺陷象之任意之{ 1 1 0 }面的投影作圖外接 任意長方形，就會發現較長邊長L 1與較短邊長L 2之比 (L1/L2)的最大値會在2·5以上。 又本發明係一種矽晶圓，其特徵爲將以柴可勞斯基法 拉提之矽單晶棒加工所得之矽晶圓，其內部含有空洞缺陷 ，投影於任意{110}面之該空洞缺陷像的外接任意長 方形中，較長邊長L 1與較短邊長L 2之比（L 1/L 2 )的最大値會在2 · 5以上。 如此，投影於任意{ 1 1 〇丨面之空洞缺陷像的外接 任意長方形中，較長邊長L 1與較短邊長L 2之比（L 1 / L 2 )的最大値會在2 · 5以上的晶圓，缺陷的表面積 對缺陷體積之相對比率較八面體缺陷爲高，故在進行熱處 理之時能減低更深層領域的缺陷。 另一方面，雖然L 1/L 2的最大値無特定之上限， 但僅以高達2 0程度爲考量。 另外，之所以觀察投影於任意{ 1 1 0 }面之空洞缺 陷象，是因爲採用穿透型電子顯微鏡時能很容易地特定一 投影面，而能正確地觀察缺陷象之故。 在此情況下，前記矽單晶棒亦可換作能經由柴可勞斯 基法摻雜氮的矽單晶棒。 爲了將空洞缺陷的形狀轉變成上記之棒狀或/及板狀 ，例如可於以柴可勞斯基法育成矽單晶棒之際摻雜氮’就 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） —------------------*tri------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -6 - 531575 A7 B7 五、發明說明θ ) 可很容易地使內生缺陷的形狀’從通常的八面體形狀變成 棒狀或板狀之形狀。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 另外，本發明的矽晶圓係將前記本發明的矽晶圓於 1 0 0 0 °C以上之溫度進行1 〇秒以上熱處理過之矽晶圓 〇 如此，將含有棒狀或/及板狀缺陷的晶圓經過熱處理 ，就·能比先前含有八面體缺陷之晶圓更有效地消滅接近表 面的空洞缺陷至更深的領域，以獲得高品質的矽晶圓。而 且因熱處理消滅缺陷的效果很高，故即使熱處理的時間比 先前晶圓更短，也能獲得更大的消滅缺陷效果。 此情況下的熱處理多採用1 0 0 0 °c以上的溫度’但 並沒有特定之上限。不過雖未滿物理上砂的熔點’但考慮 熱處理裝置的實用溫度範圍則以1 3 5 0 °C之程度爲佳。 而熱處理的時間也在1 0秒以上並沒有特定的上限’但考 慮生產性因素則以兩小時程度爲佳。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 此情況下，前記熱處理後的矽晶圓在距離晶圓表面至 少0 . 5 // m深處的空洞缺陷密度可以降低到熱處理前的 1 / 2以下。這種矽晶圓即可視爲，比方說，晶圓內部含 有棒狀或/及板狀空洞缺陷的矽晶圓，距離晶圓表面至少 〇· 5 // m深處的空洞缺陷密度是晶圓內部的1 / 2以下 的矽晶圓。 這種矽晶圓，因表面具有較厚的無缺陷層’故於製作 裝置之時自由度較高，是爲其有利點。再者’因晶圓內部 必須要有一定的缺陷密度才能成爲吸氣側’故此種晶圓可 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -7 - 531575 A7 __ B7 五、發明說明f ) 保留必要之吸氣能力。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 如以上說明，本發明係以C Z法所得之矽晶圓，因其 內部所含之空洞缺陷爲棒狀或/及板狀，使之後的熱處理 能消滅晶片表面的空洞缺陷至更深領域，以獲得無缺陷層 更厚的矽晶圓。 用以·發明實施之最佳形態 以下要說明本發明的實施形態，但本發明並不限定於 此。 本發明著眼於c Z法育成之矽單晶中存在之內生空洞 缺陷的形狀，會因結晶育成時的條件而變化的現象，並發 現藉由造成缺陷表面積對缺陷體積之相對比率大之棒狀或 板狀的形狀，使熱處理降低缺陷的效果能擴大到更深的領 域，因而完成本發明。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 要以熱處理減低空洞缺陷，必須要有將存在於空洞缺 陷內壁的氧化膜表層的氧原子溶解並擴散至矽結晶中的第 一過程。這等於是氧析出物的再溶解現象。已知在氧析出 物再溶解的情況時，其溶解速度是被缺陷的大小，特別是 被形狀所影響，同體積則表面積越大者越易溶解（F. Shiumra，Appl. Phys. Lett. 39,987，1981) 〇 在空洞缺陷的情況也是和氧析出物的情況相同，比較 同體積空洞缺陷的情況時，空洞表面積越大者縮小的速度 越快。也就是說，將先前的八面體形狀等多面體形的空洞 缺陷，變成同體積但表面積更大的棒狀或/及板狀，就能 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -8 - 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 531575 A7 _ B7 五、發明說明p ) 讓空洞缺陷更容易被熱處理所消滅。 而本發明的發明者們爲了將上述含於晶圓內部之空洞 缺陷的形狀變成棒狀或板狀，例如以c Z法拉提矽單晶時 ’若有氮摻雜的話，就會發現很容易獲得含有棒狀空洞缺 P曰或/及板狀空洞缺陷的砂晶圓。 本發明的發明者們以實驗調查在用c Z法育成矽單晶 之時·，氮摻雜所導致內生缺陷形狀發生變化之情形。 這裡的圖3與圖4係以普通C Z法育成的矽單晶棒所 切出的晶圓，將晶圓中所含之空洞缺陷的形狀以穿透型電 子顯微鏡對{ 1 1 0 }面的投影圖。造成兩者缺陷大小不 同的原因，係改變1 1 5 0 t附近的通過時間所致，而此 溫度會使空洞缺陷凝聚。 如圖3與圖4所示，先前晶圓所含之空洞缺陷形狀爲 八面體形，對任意之{ 1 1 0 }面投影的缺陷像外側作任 意外接長方形時，較長邊長L 1和較短邊長L 2之比（ L 1 / L 2 )的最大値亦未滿2 · 5。因此，空洞缺陷的 表面積對體積的相對比例較小，實施熱處理消除結晶缺陷 的效果也較小。 反觀圖1及圖2所示的，在C Z法中摻雜氮育成之矽 單晶棒切出之晶圓，也用和圖3圖4 一樣的方法測定結晶 缺陷的形狀。因爲摻雜氮氣’故使缺陷形狀從先前之八面 體形有了很大的改變。從各種角度觀察圖1的缺陷可判明 其爲三個棒狀缺陷結合而成。而換個角度看圖2的缺陷可 判明其爲垂直於紙面深入2 0 0 // m的平板型缺陷。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） —I —----------------tT----------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -9 - 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 531575 A7 B7 五、發明說明（7 ) 而如圖1及圖2所示，在C Z法中摻雜氮育成的矽單 晶棒所成之晶圓，其前述之L 1 / L 2的最大値’在圖1 中約爲3，在圖2中約爲4，這些値都比先前的矽晶圓還 來得大。此數値越大，同時也就意味著缺陷的表面積對體 積的相對比値越大。因此在進行熱處理的時候，空洞缺陷 的消滅效果也非常的大。 、本發明中，對於在C Z法過程中摻雜氮育成矽單晶棒 的方法，可以是例如特開昭6 0 — 2 5 1 1 9 0號所記載 的這類公開方法。 也就是說，雖然C Z法係將多晶矽原料的熔融液收容 於石英坩鍋中，令其接觸種晶，讓種晶一邊迴轉一邊拉提 以育成所望直徑的矽單晶棒之方法，但無論是藉由事先將 氮化物放入石英坩鍋內，或是將氮化物投入矽熔融液，或 是灌入含有氮氣的氣氛等等，都能很簡單地在提拉結晶中 摻雜氮。此時，藉由調整氮化物的量或氮氣濃度或導入時 間等因素，就能控制結晶中的摻雜量。 如此，以C Z法育成單晶棒時，藉由摻雜氮的步驟， 便能輕易獲得含有棒狀或板狀缺陷的矽單晶棒。這時摻雜 氮的濃度，以控制在1 · Ο X 1 0 1 〇〜5 · Ο X 1 0 1 5 atoms / c m 3之間爲佳。 如此一來，於C Z法中摻雜所望濃度的氮，就能獲得 含有所望之棒狀或板狀空洞缺陷的矽單晶棒。將此矽單晶 棒照著一般的方法，以內周刃切片機或線鋸機等切斷裝置 切片後，經由銼平、拋光、蝕刻、硏磨等工程，將矽單晶 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ----------------------夂tT-:*--------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -10- 531575 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7___ 五、發明說明f ) 加工成晶圓。當然，此處的工程僅只列舉，其他還有洗淨 等各種工程，或是依照目的變更工程順序、部份省略等適 宜的工程被更換使用。 接下來，本發明之含有棒狀或/及板狀的矽晶圓進行 熱處理的時候，只要能將晶圓以1 0 0 0 t之溫度加熱 1 0秒以上的熱處理機具，如陣列式電阻加熱爐、燈絲加 熱爐‘等皆可。 例如，急速加熱·急速冷卻裝置（R T A : Rapid Thermal Annealer )亦可適用於進行此熱處理。採用這類型 的裝置可以有效率地進行熱處理，進而提升晶圓的製造效 率。 另外，熱處理時若能在氧氣、氫氣、氬氣或這些氣體 的混合之氣氛中進行的話，就能避免矽晶圓表面生成有害 的被膜，讓氧氣、氮氣朝外方擴散，就能更容易地減少晶 圓表面曾的空洞缺陷密度。 尤其是在氫氣、氬氣或這兩者的混合氣體這類非氧化 性，或稱作還原性氣氛中進行高溫熱處理時，更能輕易地 消滅晶圓表面的結晶缺陷。此外也發現若以氫與氬的混合 氣體作爲氣氛，晶圓於熱處理中就會較難發生滑脫（Slip )現象。 以下將就本發明的實施例及比較例以列舉方式說明， 但本發明並不局限於這些列舉。 (實施例、比較例） 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） —J —--------------—tT-ί-------線 (請先閱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 531575 A7 B7 五、發明說明θ ) 利用c Ζ法，提拉直徑6英吋、導電型Ρ型、方位〈 1 0 0 >的結晶棒，以普通的提拉速度（1 . 2 m m / m i η )提拉6根。其中2根的提拉過程，係事先於原料 中投入具有矽化氮膜的矽晶圓且控制其氮濃度爲5 X 1 0 1 4 atoms / c m 3。同時氧濃度控制在1 5 p p m ( J E I D A )。將兩者通過1 1 5 0 °C附近的空洞缺陷凝 聚溫·度之時間改變而得到缺陷大小互異的兩種氮摻雜結晶 後備用。 剩下的4根當作比較用試料，氧濃度與上記相同，不 摻雜氮提拉而成。此處亦變化1 1 5 0 °C附近的通過時間 ，製成缺陷大小互異的4種無氮摻雜結晶後備用。 將此處所得的單晶棒用線鋸機切出晶圓，施以銼平、 拋光、飩刻、鏡面硏磨加工，除了有無摻雜氮以及 1 1 5 0 °C附近的通過時間的因子以外，其他條件均完全 相同，製作成6種直徑6英吋的矽單晶鏡面晶圓。 將所獲得的矽晶圓內部的空洞缺陷形狀，以穿透型電 子顯微鏡觀察投影於{ 1 1 0 }面的缺陷。結果，摻雜氮 的兩片矽晶圓大部分的空洞缺陷形狀是如同圖1及圖2所 示的棒狀或板狀的形狀，前述之L 1 / L 2的最大値也確 認爲2 · 5以上。 另一方面，無氮摻雜的4片矽晶圓的空洞缺陷形狀是 如同圖3及圖4所示，爲先前所知的八面體形狀’ L 1 / L 2的最大値未滿2 . 5。 另外，穿透型電子顯微鏡的試料作成，是以紅外線散 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 1-----------------I— ------- f請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁} -12- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣 531575 A7 B7 五、發明說明（10 ) 射斷層攝影裝置同定空洞缺陷的位置後，再以聚焦離子雷 射裝置切出而成。 如此，將含有棒狀空洞缺陷或/及板狀空洞缺陷的矽 晶圓2片，和先前含有八面體形狀的空洞缺陷的矽晶圓4 片，合計6片晶圓，比較其熱處理前和熱處理後的密度。 熱處理使用RTA裝置（急速加熱·急速冷卻裝置， SHUTIAKKU Microtech International 公司製 S H S — 28〇〇型），溫度12〇〇°C處理10秒，氣氛爲氬 7 5%氫2 5%，進行急速加熱、急速冷卻的熱處理。 密度測定採用光散射法，測定表層〇 · 5 // m處深的 缺陷密度。 測定的結果表示於圖5與圖6。圖5係表示距離表面 0 · 3 μ m的淺層領域的缺陷殘存率，圖6係表示距離表 面0 · 3〜0 . 5 // m的深層領域的缺陷殘存率。橫軸表 示熱處理前各晶圓中缺陷的平均大小，縱軸表示熱處理後 比熱處理前缺陷密度的比値。圖中圓形符號表示含有八面 體形狀空洞缺陷矽晶圓的數據，三角形符號爲含有棒狀或 板狀空洞缺陷矽晶圓的數據。 圖5的0 . 3 // m淺層領域中，可知缺陷的消滅與空 洞缺陷的形狀無關。另一方面，從圖6深層領域的結果來 看，可知棒狀或板狀的空洞缺陷比八面體形狀的空洞缺陷 更容易消滅。 以光散射法測定缺陷的大小，是將缺陷視爲球形折射 體，以通過缺陷的散射光強度逆推出其直徑。因此，圖5 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） —-—---------------ΙΓί------- (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) 531575 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（11 ) 及圖6的圖形中表示同一大小的數據，實際上就表示體積 相同。換句話說，這意味著即使同體積的空洞缺陷，棒狀 或板狀空洞缺陷就是比八面體形狀空洞缺陷更容易消滅。 我們推定這是因爲棒狀與板狀空洞缺陷的表面積比八面體 大所以更易被消滅。 又如圖6所示，實施例的矽晶圓，熱處理後的空洞缺 陷密度，即使距離晶圓表面0 · 3〜0 · 5 // m的深層領 域亦在3 0 %以下十分的低。這意味著本發明之含有棒狀 或板狀空洞缺陷的矽晶圓，晶圓的空洞缺陷密度即使距離 表面0 · 5 // m深處，也能保持低於內部的空洞缺陷密度 的1 / 2以下。亦即本發明的矽晶圓具有厚的無缺陷層， 且因晶圓內部保有形成吸氣側所需的空洞缺陷，故可以提 高矽晶圓製作裝置的自由度以及製作效能。 此外，本發明並不侷限予上記的實施形態。上記的實 施形態僅爲例子，只要和本發明申請專利範圍所記載的技 術上思想有實質上同一的構成，並且能發揮同樣效果者， 無論何者皆包含在本發明的技術範圍。 例如，本發明所述內部所含的棒狀空洞缺陷或/及板 狀空洞缺陷，並不必限定爲圖1與圖2所示的直方體形狀 與平板形狀，例如圓柱形或不規則凹凸的板狀，只要內部 含有L 1 / L 2的最大値在2 · 5以上的空洞缺陷，就能 發揮本發明的效果。 另外上記實施形態中，關於使晶圓內部的空洞缺陷變 成棒狀或/及板狀的方法，雖然僅以C Z法中摻雜氮爲中 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） —1 —^--------------IT-!"-------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 14- 531575 A7 --^_5Z_ 五、發明說明（12 ) 心加以說明，但本發明並不侷限於此，藉由添加氮以外的 添加物，或是調整結晶提拉的條件，而改變空洞缺陷的形 Μ或板狀的情況也包含其中。 更進一步地，本發明中，以C ζ法育成矽單晶棒之時 ’無論是否對熔融液印加磁場’本發明的c ζ法亦包含所 謂印加磁場的M C Ζ法、 圖說 圖1 :矽晶圓內部所含之棒狀或板狀空洞缺陷之形狀 測定圖，爲較大的缺陷。 圖2 :矽晶圓內部所含之棒狀或板狀空洞缺陷之形狀 測定圖，爲較小的缺陷。 圖3 :矽晶圓內部所含之八面體形狀空洞缺陷之形狀 測定圖，爲較大的缺陷。 圖4 :矽晶圓內部所含之八面體形狀空洞缺陷之形狀 測定圖，爲較小的缺陷。 圖5 :熱處理後的缺陷殘存率，爲距離表面〇 · 3 —Ί —A--------------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 ο 面 表 離 距 爲 1, ο 率率 存存 。 殘殘 率陷陷 存缺缺 殘的的 陷後域 缺理領 的處之 域熱深 領：m 之 6/^ 深圖 5 m · 〇 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -15-

Claims (1)

1. 531575 ABCDAl·一口公

   六、申請專利範圍 第89 1 03834號專利申請案 中文申請專利範圍修正本 民國9 2年2月21日修正 1 . 一種矽晶圓，係晶圓內部含有棒狀的空洞缺陷或 /及板狀的空洞缺陷的矽晶圓，其特徵爲被施以熱處理者 ，且距離晶圓表面至少0 · 5 // m深的空洞缺陷密度是晶 圓內部空洞缺陷密度之1 / 2以下。 2.—種矽晶圓的製造方法，其特徵爲：藉由柴可勞 斯基法來提拉內部含有棒狀的空洞缺陷及/或板狀空洞缺 陷之矽單結晶棒，而加工成晶圓，且對前記晶圓進行溫度 1 0 0 0 °C以上，1 〇秒以上的熱處理，製成矽晶圓。 3 · —種矽晶圓的製造方法，其特徵爲：藉由柴可勞 斯基法來摻雜氮，而提拉內部含有空洞缺陷，並在投影於 任意之丨1 1 0丨面的該空洞缺陷像所外接的任意長方形 之長邊的長度L 1與短邊的長度L 2之比（L 1/L 2 ) 的最大値爲2 . 5以上之矽單結晶棒，而加工成晶圓，且 對前記晶圓進行溫度1 0 〇 〇 °C以上，1 〇秒以上的熱處 圓 晶 矽 成 製 彐二 理 !— n n n m ...... . —i— —II 1 I I (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 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）