TWI276161B - Ideal oxygen precipitating silicon wafers with nitrogen/carbon stabilized oxygen precipitate nucleation centers and process for making the same - Google Patents

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Jeffrey L Libbert
Richard J Phillips
Milind Kulkarni
Mohsen Banan
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Description

1276161 玖、發明說明 月/兒月應敘明·舍明所屬之技術領域、先前技術、内容、實施方式及圖式簡單說 本發明概括言之係關於半導體材料基板之配製，特別是 、製远電子組件之矽晶圓為然。質言之，本發明乃關於 、種石夕處理過私’其於實質上任何電子裝置製程之熱處理 月間使曰曰圓形成氧析出物之理想不均勻深度分佈。 製造半導體電子組件大半過程之起始材料的單晶矽通常 :所謂之"切克勞斯基”(czochralski)法配置，其中將單籽晶 士熔夕Θ 後以緩慢萃取法而生成。在熔矽盛於坩堝 、/=’即與各種雜質混合’主要與氧混合。氧在熔晶體之 -又上進入晶格，直到達到由晶中炼體溫度上氧之溶度以 ΐ由固化石夕中氧的實際分凝係數所決定之濃度為止。此等 展度大於氧在固體石夕中於電子裂置製程之標準溫度上的溶 度Ό曰自溶體生成並冷卻時’其中氧的溶解度即迅速降 低：攸而合成片或晶圓中’氧呈超飽和濃度。 ^電子衣置通中所抹之熱處理週期能導致石夕晶圓中氧 超飽和。析出物的有害或有益端視其在晶圓 ::位置而疋。氧析出物位於晶圓之有源裝置區中有損於 :接：㈣、:而位於晶圓主體中之氧析出物卻能捕捉與晶 :之無盈的金屬雜質。利用晶圓主體中氧析出物以捕 捉至屬通常稱為内部或内在吸收雜質QG)。 二：電:裝置製程含有一系列步驟，設計以生產之秒， 曰二之近表面之區並無氧析出物(一般稱為裸露區 )’晶圓其餘主體含充分氧析出物以供内在吸收雜質 82769-950127.doc 1276161 (2)
之用。裸露區可以高-低-高熱次序形成，諸如··⑷於高溫 下（攝氏一千一百度以上）惰性環境中氧外擴散熱處理至少 四小時；（b)於低溫下（攝氏六百度至七百五十度）氧析出核 形成；及（c)在高溫下（攝氏一千度至一千一百五十度）氧 (Si〇2)析出物之生成。請參閱1989年加州聖地亞哥Academic
Press公司之F· Shimura君所著，，半導體矽晶技術"第361-367頁 以及其中所列之參考資料。 不過最近之先進電子裝置如動態隨機存取記憶器之製程 已開始盡量減少採鬲溫法步驟。雖然若干製程保留足夠的 高溫法步驟以生產裸露區及大批析出物之充分密度，但材 料的容限過嚴而無法提供商用產品。其它現行高度先進電 子裝置製程皆不含外擴散步驟。由於有源裝置區中氧析出 物的相關問題，故此等電子裝置製造商必須採用在其製程 條件下，晶圓中任何處皆無形成氧析出物之矽晶圓。結果 一切内在吸收雜質之潛在能力於焉喪失。 發明内容 故在本發明之諸目的中乃提供一種單晶矽晶圓，其於任 何實質上電子裝置製程之熱處理週期 物之理想不均勻深度的分佈；提供此種晶圓會優 製地形分深度之裸露區及晶圓^内充分密度之氧析 出物；提供此種之晶圓，其中裸露區之形成及晶圓體中氧 析出物之形成皆與此晶圓區中氧濃度之差異無m;提供此 種晶圓，纟中合成裸露區之厚度實質上與積體電路製程的 細節無關；提供此種之晶圓’其中晶目主體中裸露區及氧 析出物之形成不受切克勞斯基生成單晶秒錠之敎過程盥氧 82769-950127.doc (3) 1276161 的t響，晶因係自該…鍵切割出者; =2中裸露區之形成並不依氧之外擴散Ml ， ;:t法’其"乃以充分漢度之氮及/或碳摻雜，以释定 虱析出物成核中心，使之能承受後續 ^ 妨礙裸露區的形成。 熱處理而不會 簡言之，本發明係針對具有兩主要之 晶矽晶圓，其中之一為曰圓之二主 致千仃表面之早 面H sa®^表面另—為晶圓之後表 表面之周緣，-表面層包括前表面與自=二；合前後 所測量之至少約十微米距剛 :至：二：面i 括中央平面與maSB__ Λ及—主體層包 中心之濃产大於饰’即以主體層中氧析出物成核 之痕度大於表面層中氧析出物成核中 析出物成核中心具有一濃度截辰度以乳 中心之峯值密度在中央平面 1 、”中乳析出物成核 度位置循晶圓前# 、 处5 /、附近，而濃度自峯值密- 1偈日日«月丨J表面方向降低。 曰 碳或其混合物詛人之狹她仏 日日® S有選自氮、· 約在每立方公分= 採用氮播雜物時，氮之濃度 在每立方公分i 1016至約5x1014原子之間，而碳的濃度約· 万A刀^〇16至約4χ1〇17原子之間。 本發明並針斜_括& 圓的方法。此方法控制之氧析出作用之單晶石夕晶 旋所切割且含2声括選定自切克勞斯基法生成之單晶石夕 之曰圓 Β引、面和後表面及前後表面間一中央平面 爻日日0，此晶圓並含一 r天十面 表面層涵蓋前I 乂 g、一主體層及摻雜物；前 ，，兩者間的表二與自前表面至中央平面間w 門的-固區；主體層涵蓋中央平面與前表面層間的· 82769-950127.doc (4) 1276161 晶圓區域；而換雜物 〆 時，其濃度約為每立方公的组合;當摻雜物為氮 雜物為碳時，J1濃产約刀—X至約5x1014原子，而若摻 子。所、$ > ，、又、，、勺為母立方公分1x10丨6至約4x101、 ♦:選…圓加熱至約攝氏一千一 =主體層中形成晶格空位。經加熱之晶圓迅速冷卻： 成晶圓中空位濃度截面曲 、迷7 P形 中m发括6 奪值空位密度在主體層 Μ ^ ^ , 依日日0表面方向大致遞減，且前 表面層與主體層中空位、、麄 析出物忐仿由 /又差”使前表面層中並不形成氧 啊出物成核中心，氧柝屮 曰认 析出物成核中心於主體層中形成。而 於加熱之晶圓冷卻時，夺空中 片 φ ^ ^ ^ %疋之虱析出物成核中心即於 主體層中形成，主體層φ * 士 ^疋之乳析出物成核中心的濃度 主要依空位的濃度而定。 本發明之其它目的與特徵將明示於下文中。 方式 又據本U業已發現_種理想的沈積晶圓，其於實際 土任何電子裝置製程期間，會形成充分深度之裸露區及含 内在吸收雜質用之充分密度氧析出物的晶圓主體。此一 理想之沈積晶圓之優點在於可利料導體”造業通用工 具在片刻間配製之。此法創建一種矽模板，確定或"印製" 於電子裝置製程期間氧析出之方式。 本發明理想沈積晶圓之原始材料乃屬依照傳統性切克勞 斯基晶體生成法所生成之單晶錠中所切割之單晶石夕晶圓。 此等方法以及標準石夕的切片’研磨，姓刻和拋光等技術載 於1989年—c Press中F· Shi_所著之，，半導體石夕晶體技 術”及1982年紐約SPdnger_Verlag中"石夕化學姓刻"(j. 82769-950127.doc (5) (5)1276161 ed·)，錄於此以供參考。 切克勞斯基法生成之石夕通常所含氧濃度在約每立方公分 5xl〇17至約9xl017原子的範圍内（ASTM標準！^_121_83)。由於氧 析出作用實質上呈現自理想沈積晶圓中氧濃度的退耦性， 故原始晶圓可具有切克勞斯基法所獲範圍以内或以外之氧 濃度。 依據單晶矽錠自矽熔點（約攝氏1410度）經攝氏約七百五 十度至約三百五十度範圍之冷卻速率，氧析出物成核中心 y形成於晶圓所切割之單晶矽錠中。原始材料中是否有此 等成核中心存在對本發明無關緊要，但此等中心卻能由在 約攝氏-千三百度以内溫度矽熱處理所分解情形。某些埶 處理，諸如石夕於約攝氏八百度退火四小時等，能穩定此等 中心使之不能在未超過約攝氏一千一百五十度下分解。氧 析出物的探測極限目前約為每立方公分5χΐ〇6析出物。氧析 :物成核中〜的存在(或密度尚無法利用現有技術直接測 量。但可用各種技術間接探測其存在。如前所述，石夕中先 :在之氧析出物成核中心可由將矽經氧析出熱處理而獲穩 定，且可在此等位置生成析出物。故此等成核中心可於氧 析出熱處理後間接測得，例如將晶κ於攝氏人百度退火四 小時’然後於攝氏一千度退火十六小時之熱處理。 現在請參考圖卜本發明理想沈積晶圓的原始材料單晶石夕 曰曰圓n别表面3，後表面5及—前與後表面間假想之中 央平面7。本文中”前”與”後”詞語乃用以區別晶圓之兩主要 大致同平表面，所採用之晶圓前表面一詞並非一定指而後 %子衣置裝於其上之表面，而所採晶圓後表面一詞亦非指 82769-950127.doc (6) (6)!276161 晶圓之與電子震置所在表面相對的主… :晶圓通常有些總厚度變化如突出 '，故卜面由於 平面:;2面上的每一點間的中點可能不在同-準確的 言，諸中：了際上’背曲之總厚度變化通常極微，近似而 表面間居於假想之中央平面内，該平面約為前後 氧之ί ::方法的第一具體實例中，晶圓1於步驟Sl中在含 一衣=做熱處理，以生成包圍晶圓1之外表氧化層9。 埃、又IV氧化層厚度大於矽上形成之原生氧化層(約為15 至小3么氧化層至少厚約二十埃為宜，而在某些具體實例中 二厚、力一十五埃或甚至約三十埃。目前所獲之實驗證據 不大於約三十埃之氧化層，雖不干擾所要求效應，也並 不會提供附力σ益處。 7在步驟S2中，晶圓承受熱處理，其中晶圓加熱至高溫以 幵=成曰曰圓1中晶格空位13並增加空位數密度。此一熱處理步 騄且於速熱退火器中實施，將晶圓加熱至目標溫度並於該 酿度上做較短時間之退火。一般而言，晶圓承受之溫度至 J超過攝氏一千一百五十度，較宜至少一千一百七十五 度，更佳至少約一千二百度，及更佳之一千二百度至一千 二百七十五度之間。 在本舍明苐一具體實例中，速熱退火步驟在氮化環境中 實施’亦即含氮氣體N2或含氮之氨等化合物使暴露之石夕表 面氮化者。故該環境可僅含氮或氮化合氣體，或另含如氬 之非氮化氣體。達成增加全晶圓中空位濃度泰半有賴達成 退火溫度。晶圓通常維持於此一溫度至少一秒，數秒（至少 82769-950127.doc -11 -
三秒），較佳數十秒（二十，三十，四十，或五十秒），或依 所要之晶圓特性而達約六十秒（其接近商用速熱退火器之 1276161 極限）。如此產生之晶圓即具有相當均勻空位濃度（數字密 度）的斷面曲線。 根據目前所獲之實驗證據，速熱退火步驟中之環境最好 少含部分氧，水蒸汽及其它氧化氣體之壓力，亦即，環境 無氧化氣體或此等氣體之壓力，即不足以注入抑制空位濃 度集結之石夕自填空位原子。雖然氧化氣體濃度的下限尚未 確切決定’但已顯示（0·01)大氣壓之氧的分壓力或百萬分之 一萬份原子（ppma)並不增加空位濃度且無任何效應。因此， 該壤境所含氧或其它氧化氣體之壓力宜小於（〇 〇1)大氣壓 (10,000 PPma)，最好不大於約〇·〇〇5大氣壓（5,〇〇〇ppma)，而在 約0.002或約0·〇〇ι大氣壓（2,〇〇〇或^麵ppma)則更佳。 速熱退火步驟除形成晶格空位外，尚導致矽原材中不穩 定之氧析出物成核中心分解。此等成核中心會於切割晶圓 之單晶石夕旋生成期間形成，或由於晶圓或矽錠以前熱經歷 之其它場合中形成。故衹要此等中心能在速熱退火步驟期 間分解，其是否存在於原始材料中即無關緊要。 速熱退火可於任何商用速熱退火爐中實施，其中諸晶圓 由同功率燈排而個別加熱。速熱退火爐能將矽晶圓迅速加 熱’例如在數秒鐘内將晶圓自室溫加熱至攝氏一千二百 度。此等商用速熱退火爐之一為61〇型爐，由AG Ass〇咖叫加 州山景市）產製。 内在點缺陷（空位及矽自填空位）能經由單晶矽擴散，擴 散速度依溫度而定。故内在點缺陷為内在缺陷擴散率的函 82769-950127.doc -12- ⑻ 1276161 數，且重結合率為溫度的函數。例如，内在點、於晶圓 速熱退火步驟中退火溫度附近移動，而其於攝氏七百度上 在任何商界實用時段大致不移動。目前所獲之實驗證據顯 不在攝氏七百度以下溫度，空位之有效擴散大為減緩，且 即使温度高至攝氏八百纟，九百度或—千度時，亦認為空 位於任何商界實用時段不會移動。 完成步驟从，晶圓在步驟S3中自晶格空位於單晶石夕内相 對移動之溫度範圍迅速冷卻。在晶圓溫度經此溫度範圍下 降時’空位擴散至氧化層9而趨於澄滅，從而導致空位濃度 斷面中之變化，變化程度依晶圓在範圍内該溫度下之時長 而定。如果晶圓處於此範圍内該溫度下無限長時間時，晶 圓主體^中空位濃度會再度呈大致均句，濃度大致小於剛 完成熱處理步驟時晶格空位濃度之均衡值。不過，由於晶 圓迅速冷卻，可達成晶格空位分佈不均勻。最高空位濃度 在中央平面7附近，而空格濃度循前表面3及後表面5方向^ 減《—般而言，在此溫度範圍内之平均冷卻速度至少約為 每秒攝氏五度，而以每秒至少約二十度為宜。依據裸露區 的深度，平均冷卻率宜為每秒至少約攝氏五十度，最好每 秒至少約一百度，就現行若干應用而言，以每秒約攝氏一 百度至二百度為最宜。一旦晶圓冷卻至晶格空位於單晶矽 中相對移動之溫度範圍以外時，則冷卻速度不太影響晶圓 之沈積特性，從而不呈極端重要。就方便言之’冷卻步驟 可與加熱步驟在同一環境中實施。 在步驟S4中，晶圓承受氧析出熱處理。例如，晶圓可在 攝氏八百度下退火四小時，然後在攝氏一千度下退火十六 82769-950127.doc -13- (9) 1276161 小時。另外亦宜將晶圓置約摄“百声瞻 置製程的第一步驟。心攝氏八百度爐内，做為電子袭 ^ 田置入此溫度之爐内時，弈又、古也 火之晶圓會有不同氧析出則速熱退 ^ 下用之刀隔區。在空位區域 主體)中’於晶圓置人爐内後，氧即快速結集。战(曰曰固 溫ΐ時，結集過程結束且達到結集之分佈，端賴空：負载 始浪度而定。在低空位區域（晶圓表面附 初 一如正常之欠缺先存在之氧日日回作用 結集並不顯著。當達到据 w，亦即氧 作定十 攝氏八百度以上時，或若溫度唯捭 卜旦疋，則畐於空位區中之姓 又、准持 ^ , ΘΙ σ木生成析出物而耗盡，而* # 貝中則無任何作用。將晶圓分成各空位 工 效創建一種模板，由 £，即可有 如圖1所示，晶圓中氣：：圓置入爐内所定之氧圖案。 出物材料清除區(裸露區)(15，15,)，自：由無氧析 分別延伸至深产丨 、及後表面5 τ王冰度（t，t )予以特性化。在| 15，）兩者間之區域17含 ;：、乳析出物區（15， 巴⑴… 度大致均勻之氧析出物。 =中氧析出物的濃度主要為加 為冷部率的函數。總之，氧析出物 欠要 上升與退火時間遞增，而以„般所 ；；=中溫度 斫出物乾圍之析出物的密度為準據。 主 無氧析出物材料（裸露區）（15，15，）之 深度（t，t’）主要為θ故办 自則轉後表面的 主要為晶格空位在矽中相對 的 邠率的函數。一妒山夕一命， 動之，皿度乾圍内冷 叙a之，珠度（t，f)隨冷 而以所獲裸露區深度至少約10,2。，羊咸低而遞增， 微米為準。顯妙、 5〇，7〇或一百 ㈣顯然，裸露區的深度大體上百 闕，且亦盥值從垂扣 /、电子衣置製程盔 傳統實用之氧的外擴散無關。 ’，，、 82769-950127.doc -14- (10) (10)1276161 小11明方法中所採速熱處理固會導致自晶圓之前：表面 少量氧：外擴散’但外擴散的量遠少於傳統之裸露區形成 法2之s。如此，本發明之理想沈積晶圓具有相當均勻之 填空位氧濃度’為自矽表面距離之函數。例如，在氧析出 ’、、、 之引曰曰圓會具有自晶圓中心至矽表面約十五微米 内晶圓區域之填空位氧的相當均勻濃度，π以自矽中心至 晶圓區域約為矽表面約十微米者較宜，甚且最好自石夕中心 至晶圓諸區域之約矽表面的約五微米，且以自矽中心至晶 圓诸區域約及三料·丰Iy土 i ~ 更佳。本文中之相當均勻氧濃度係 乳浪度變化不《過約百分之五+，最好不超過百分之二 十，且以不超過百分之十者更宜。 乳析出熱處理通常不會造成大量氧自熱處理之晶圓中向 ^ 口此裸路區中自晶圓表面數微米距離之填空位 乳之濃度不會由於沈積處理而有顯著改變。例如，如果裸 露:包括石夕表面與自前表面至中央平面所測得之距離 π 乂為約十微米）兩者間之晶圓區域時，則自矽表面等 於”D”的一半距離處之裸露區内位置上的氧濃度 ?為裸露區中任何處填空氧漢度的百分之七十五。就若干 氧析出熱處理而言，此仞罢古 卜 南 此位置之填空位氧濃度會更高而至裸 &任何處攻高氧濃度的至少百分之八十五，％十甚至九 十五。 —在本發明之第二具體實例中，採非氮化環境以代替在第 具，貫例之加熱（熱退火）及冷卻步驟中所採用之氮 它此箄非气朴非产 衣兄匕括虱、乱、氖，碳化物及其 匕此等非乳化非氮化之元素與化合氣體，或此等氣體的混 82769-950127.doc •15- 00 1276161 否物…非氮化環境亦似氮化環境，可含小部分氧壓，亦即 =刀>Ε力小於0.01大氣壓（1〇,〇〇〇卯削），而以小於㈣仍大氣 壓（5,〇〇〇 ppma)為宜，小於 〇 〇〇2 或 〇 〇〇1 大氣壓（2,〇〇〇/ι，_ ppma)更佳〇 在本發明之第三具體實例中，省略去步驟⑻（熱氧化步 驟），故起始晶圓僅具固有氣化層。然而當此一晶圓於氣環 境中退火产時，其效應即異於具有比固有氧化層更厚氧化層 (增大的氧化層）之晶圓於氮令退火時所見者。當含增大氧 化層之晶圓在氮環境中退火時’幾乎在到達退火溫度時， 即完成大致均句之空位濃度增加。此外，空位濃度並不以 -疋退火溫度上退火時的函數方式而呈現顯著增加。不過 :晶圓缺少大於固有之氧化層，且若晶圓之前後表面於氮 合=,1’則所獲得之晶圓’其空位濃度（數量密度）曲線 曰…：之橫切面’亦即’最大濃度在前後表面數微米 w U疋且較小辰度在晶圓全體，最小濃度在晶圓 主體，起始約等於且i龄士各& _ …曰大乳化層晶圓中所獲得之濃度。尤 其缺沙大於固有氣化屏夕Θρ1 虱化層之晶®中，退火時間增加會導致处 位濃度的增加。 j s刀θ V欽工 貫驗證據進一步顯示此種 声大4彳h厗B T不，、大於固有氧化層之晶圓及 立日大乳化層晶圓，兩者作用 或另-氧化气用之差異可由於環境中含分子氧 次另Kbi體而^避免。轉另 固有氣化#之曰m —人 云於不具大於 U有虱化層之曰曰固在含小部 圓作用與具增大氧化声曰圓夕你田^鼠仏中退火時，晶 平續日日圓之作用相同。 理，厚度大於固有氧化屏夕&主p 不拘泥於任何原 屏蔽。故此-氧化Γ 表氧化層用做抑制石夕氮化之 开献故Λ 1化層可能存在 _圓，或於退火步驟 82769-950127.doc -16- 1276161
期間產生增大氧化層而形成之。 因此’依據本發明，速熱退火步驟期間，大氣環境宜含 至少約0.0001大氣壓（1〇〇 ppma)之分壓力，而以至少約〇 〇〇〇2 大氣壓（200 ppma)則更佳。不過，就前述諸原因言之，氧的 分壓力不宜超過〇·〇1大氣壓（1〇,〇〇〇 ppma)，而以小於〇 〇〇5大 氣壓（5,000 ppma)較好，且0·002或〇 〇〇1大氣壓（2,〇〇〇 ppma/l，000 pprna)者更佳。 在本發明之其它具體實例中，晶圓之前與後表面可暴露 於不同之裱境中，各含一或多種氮化或非氮化氣體。例如， 晶圓之後表面可暴露於氮化環境而前表面暴露於非氮化環 境中。另外，多個（2，3或更多晶圓）可面對面疊置而同時 退火；以此方式退火時，面對面接觸之諸面於退火期間機 ，性地防護環境影響。此外，依據速熱退火期間所採用之 2境及所期晶圓的氧濃度斷面，氧化層可僅於晶圓所欲裸 露區的一面上形成，例如晶圓的前表面（3)(參見圖丨）。 本發明方法所用之原始材料可為一種拋光之矽晶圓，或 屬研磨亚蝕刻之晶圓而未經拋光者。此外，晶圓可具空位 或自填空位點缺陷做為主要内在點缺陷。例如，晶圓可自 中心至邊緣屬空位或自填空位佔冑，或其含有一空位為主 材料之中央核心圍繞以自填空位為主之材料的軸向對稱環 若要將磊晶層澱積於 可於外延附生澱積之前 宜於本發明方法後及外 圓中氧析出物成核中心 理想沈積晶圓上，則本發明之方去 或其後貫施。若在其前實施時，則 延附生澱積前，以熱退火法穩定晶 。不過，熱退火法歷時頗長（在約攝 82769-950127.doc •17- (13) !276161 氏八百度需約 既降低：產量且二？ ’隨之於約攝氏一千度需約十小時)， 之太、、h 令晶圓製造成本大大增高。準此，本發明 / 。於外延附生澱積後實施，但如此仍需另辦處理牛 驟’並增高製造成本。 而另〜處理步 另：:氧析出物成核中心可用矽晶的氮摻雜加以參 =Shlmufa等之應用物理48(3)第以頁⑽6)。 摻雜之晶體的最姑山1 ^ 出核咼達約攝氏一千二百五十度時仍呈 : 乂 發明，矽晶中氮的濃度須嚴加控制以實現釋 :之、^料保持形成裸露區的能力。若氮的濃度太㈣ -於母立方公分1χ1〇12原子K約㈣搬ρρ·)，即無法實現 % 應。另—方面，若氮的濃度太高（高於約每立方公分 + )_·〇2 ppma)，則晶體生成期間所形成之氧析出 、核中心於步驟S2中不會分解。㈤時，若矽晶含太多氮， 7在晶圓中會形成氧化引起累積瑕疵（〇ISF)，其對外延附生 7曰圓的品質有不良影響（參見曰本專利局公告第1999-189493 "夕a曰圓表面上之氧化引起累積瑕疲與其它空位式缺陷 不同，未為外延附生矽層之澱積所掩蓋。〇1卯持續於磊晶 層中生成而導致通常稱為外延附生累積瑕疵之内生成缺 ^外延附生累積瑕疵之最大橫切面寬度，以現有探測極 限之雷射自動觀察裝置測之，其範圍自約〇.米至約職 米以上。故依據本發明，矽晶體宜含之氮摻雜劑原子濃度 約為每立方公分1χ1〇12至5χ1〇14原子（〇1 ppma) 而以約每立方公分1)<1012至lxl〇u原子（約〇 〇〇〇2卯·)更佳。 矽錠可利用數種方法以氮摻雜，例如將氮氣介入生成室 及/或將氮添加至聚合矽熔化物等。加至生成中晶體之氮量 82769-950127.doc -18- (14) 1276161 由添加氮至來八 法。尤制，^^ 梦晶圓二積二氮量迅：決定，例如’於既知直徑之 化物之前％人且:子又之^化物⑽4)層’其於形成石夕熔 公分3.18克 掛銷内者_4)之密度約為每立方 氣：=:明’氧析出物成核中心可用碳以代替氮，或碳 =摻雜以獲穩定。石夕鍵中碳的濃度宜在約 1x10原子（0.2ppma)至約域、子（8ppma)之間。 …、關特疋原理，目前認為氮/碳摻雜；^U P 1 空位的擴散而敎稃定氧析出〃= 夕晶體中 體冷卻昧，二: 尤其，已知當生成中晶 凝~，、Λ位底度相臨界超飽和位準（即在此點上產生 會在約摄Γ 凝聚之空位缺陷或微空白。例如，凝聚 115iMi)5G度發生。晶體冷卻時，由於 只政至诸指，故微空白增λ。雖& :空:在於繼續冷卻時大大減低晶體中之非凝：:::； 在_冷卻時’達到臨界超飽和之第二位準，其中 之自由空位和氧相互作用而形成氧析出核心。就非 ::了雜的晶體而言，臨界超飽和的第二位準乃於晶 體至約攝氏七百度時發生。在氮/碳摻雜之石夕晶中，於 =聚❹期間之空白形成’由於空位擴散率減慢而稍受抑 制。如此即導致在第-凝聚作用後’留存於晶體中之空位 濃度更高。說/碳換雜之石夕中所增加之自由空位滚度亦增高 了晶體超飽和第二位準發生之溫度，例如於約攝氏八百度 至約一千零五十度。在此增高之溫度上’晶體中氧原子更 活躍’更多氧原子與自由空位作用而使氧之析出核;;更趨 82769-950127.doc -19-
1276161 (15) 穩定。穩定之氧析出核心， 矽層等期間，更能阻滯分解 在後續之熱處理諸如生成外延 〇 依據本發明以氮/碳摻雜的氧濃度核心之穩定亦可併入 於絕緣體上以離子植入而產生矽的方法中，離子植入具有 内在吸收能力而非2001年6月22日提出之美國申請案第 60/300,208號所揭示之熱穩定法，或與之合併行之，茲錄於 此以供參考。 依據本發明以氮/碳摻雜的氧濃度核心之穩定亦可併入 第6,236，104號美國專利案所揭示之於絕緣體上產生石夕的方 法中，茲錄於此以供參考。 單晶石夕中晶格空位之測量可以翻擴散分析法實施。一般 言之，於允宜選定之擴散時程與溫度上將鉑澱積於樣品上 並於水平表面擴散，而使Frank-Turnbull機制支配鉬之擴散， 但其充分達到鉑擴散所飾空位的穩定狀態。就具有本發明 典型空位濃度之晶圓而言，可採攝氏七百三十度及二十分 鐘之擴散，於較低溫度上，例如約攝氏六百八十度，顯示 可獲更精確執跡。此外，為將矽化過程之可能影響減至最 低’翻澱積法最好少於一單層之表面濃度。顧擴散技術在 其它著述中亦有闡釋，例如：Jacob等所著J. Appl· Phvs.·第82 卷第 182 頁（1997) ; J. Electrochemical Society 第 139 卷第 256 頁 (1992) ，Zimmermann及Ryssel所著：11於不均衝狀況下石夕中溶 化翻的擴散”；Journal of Crystal Growth 第 129 卷第 582 頁 (1993) ，Zimmermann，Goesele，Seilenthal 及 Eichiner等所著，， 矽之空位濃度晶圓製圖π ; Appl. Phvs. Lett第60卷第3250頁 (1992)，Zimmermann及Falster所著11初階段切克勞斯基石夕中氧 82769-950127.doc -20- 1276161 (16)
析出物成核的研究π ;以及Appl. Phvs. A.第55卷第121頁 (1992)，Zimmermann 及 Ryssel之著作等。 圖式簡單說明 圖1為本發明方法的簡圖。 82769-950127.doc -21 -

Claims (1)

1276161 拾、申請專利範圍 1· 一種具有兩主要且大致 : 一表而面之單晶碎晶圓，其中之 德兩主 另 為日日圓之後表面，在前盥 後兩表面之間有一中 T囬隹別，、 前表面居七&二 央千面，一周緣結合前後表面，一 少約十徜+ ^ ^ 表面至中央平面所測量之至 〆J卞喊水距離（D)間之晶 平面盥莖厂* 日日回£域，以及主體層包括中央 該日日》1目士" 一區域，垓日日圓之特徵在於： 前表面居從丁人 < 风核中“不均勾之分佈，其中該 層係不含穩定氧析出你 φ ^ ^ 斤出物成核中心，而該整體層則 匕a乳析出物成核中心，以及 晶圓含有選自氮、碳 雜劑時，"々、曲 其此合物之摻雜劑，採用氮摻 原子之門I ’辰度約在母立方公分1x1012原子與約5xl014 原子之^而碳的濃度約在每立方公分ΐχΐ〇ΐ6與約Ax， 2·如申請專利範圍第1項 曰 曰jg中 、日日®，其中該摻雜劑為氮而在該 lxl"子。 々為母立方公分_12原子至約 3. 如申請專利範圍第1項 “ w 貝之曰曰固，其中D至少為約20微米。 4. 如申请專利範圍第1項 “貝之曰曰困，其中D至少為約50微米。 5·如申明專利範圍第1項之曰 、日日圓，其中D約在30與約1〇〇微米 之間。 6.如申睛專利範圍第1項之a 至少一表面上之蟲晶層圓’其中該晶圓包含該晶圓之 7· 一種用以製備具控制性氧析出作用之單晶石夕晶圓之方 82769-950127.doc
1276161 法，此方法包含·· 選疋自切克勞斯基法而生成輩曰 ‘ 玍珉早日日矽叙所切割，且含一 :::和後表面及前後表面間中央平面之晶圓，此晶圓 3别表面層、主體層及摻雜劑，前表面層包括前表面 Η 十面所測量之距離⑼兩者間的晶圓 [或，主體層包括t央平面與前表面相的 而摻雜劑選自含f鱼石山^ z m “自3虱與妷的組群’當摻雜劑為氮時，氮 度約為每立方公分lxl〇12原 / f-I Λ ^ - * ,λ . 、] 5x10 原子，而若摻雜 月I為石厌時，始辰度約為每立方公分ΐχΐ〇16至約^ 將該晶圓加熱至少至的媒Λ 、 ’ 士 Μ “ 至約攝氏⑶0度，以於前表面層及 主體層中形成晶袼空位； 曰及 將加熱之晶圓於一速率卜、人/、 ^ ^ 、 忒羊上冷部以形成該晶圓中一不始 勻二位濃度之截面曲線圖 二 於該前表面層之空位灑声 大 間空位濃度之差異致使& & 、王體層兩者 ^ “表面層中並無氧析出物成核中 〜形成，而疋於主體層中 Τ ^ ^宁形成氧析出物成核中心； 於晶圓冷卻中，& ± & 體層内形成穩定之氧析出 中心，主體層中穩定之氧珙 成核 ^ ^ 虱析出物成核中心之濃度主要依 空位之濃度而定。 文攸 8.如申清專利範圍第7 4 + 、之方法，其中晶圓至少加埶至$ -氏1，175度。 …王約攝 9·如申請專利範圍第7項 氏以⑼度。 方去，其中晶圓至少加熱至約攝 10.如申請專利範圍第7項 1，200度與約1，275度之間。/其中晶81加熱至約攝氏 82769-950127.doc -2- 1276161 m 11.如申請專利範圍第7項之方法’其中晶圓加熱時暴露於一 種大：環境’此環境含選自氩、氦、氖、二氧化碳及氣 或含氮氣體等組成之一或多種氣體之組群。 其中大氣環境含氬。 /、中大軋環境含氮或含 其中大氣環境含氬及氮 12.如申請專利範圍第i丨項之方法 13·如申請專利範圍第丨丨項之方法 鼠之氣體。 14·如申請專利範圍第丨丨項之方法 或含鼠的氣體。 15.如申請專利範圍第u項之方法，其中大氣環境中含有不 大於約0.01大氣壓的氧分壓。 16·如申請專利範圍第u項之方法’其中大氣環境中含有不 大於約0.005大氣壓的氧分壓。 17·如申請專利範圍第丨丨項之方法，其中大氣環境中含有不 大於約0.002大氣壓的氧分壓。 18·如申請專利範圍第11項之方法，其中大氣環境中含有不 大於約0.001大氣壓的氧分壓。 19·Μ請專利範圍第u項之方法’其中大氣環境中含有之 氧分壓在約〇.〇〇〇1與約001大氣壓之間。 ⑽申請專利範圍第11項之方法，其中大氣環境中含有之 氧分壓在約0.0002與約〇 〇〇1大氣壓之間。 21=申請=利範圍第7項之方法，其中在該熱處理形成晶格 空位之前，晶圓加熱至少至約攝氏7〇〇度以形成一表面之 氧化石夕層’可做為晶格空位的散熱器。 22·如申凊專利範圍第7項之方法，其中晶格空位在矽中相對 移動之溫度範圍内的冷卻速率至少約為每秒攝氏5度。 82769-950127.doc 1276161
23. 如申請專利範圍第7項之方法，其中晶格空位在矽中相對 移動之溫度範圍内的冷卻速率至少約為每秒攝氏2〇度。 24. 如申請專利範圍第7項之方法，其中晶格空位在矽中相對 移動之溫度範圍内的冷卻速率至少約為每秒攝氏5〇度。 25·如申請專利範圍第7項之方法，其中晶格空位在矽中相對 移動之溫度範圍内的冷卻速率至少約為每秒攝氏1〇〇度。 26.如申請專利範圍第7項之方法，包含於主體層中穩定之氧 析出物成核中心形成之後，至少於晶圓的一表面上澱積 一磊晶層。
A如申請專利範圍第1項之晶圓，其中該晶圓係選自由下列 所組成之群組··一經拋光之矽晶圓，及一研磨並蝕刻而 未經拋光之矽晶圓。 28·如申請專利範圍第1項之晶圓，其中該表面層係包括介於 5亥七表面與自該前表面向中央平面量起距離D之區域， 且該表面層與任一磊晶層不同。 # 29·如申請專利範圍第1項之晶圓，其中該表面層所包括之該 P 晶圓域區為根據切克勞斯基（Czochrais]d )晶體成長法 所成長之矽錠所切割而成。 Φ 82769-950127.doc 1276161 陸、 （一）、本案指定代表圖為：第1圖 (二）、本代表圖之元件代表符號簡單說明： 1晶圓 3前表面 5後表面 7中央平面 9外表氧化層 11晶圓主體 15，15f無氧析出物材料清除區（裸露區） | 1 7氧析出物之區域 柒、 本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：
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