TWI480433B - 矽晶圓 - Google Patents

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Description

矽晶圓
本發明係關於待用於半導體器件之產生的矽晶圓。更特定言之，本發明係關於由表面層及內部層構成之矽晶圓，表面層係用於具有高品質結晶性及高耐緊迫性之主動器件區，並且內部層係高度能夠吸氣金屬污染物。
在整合、性能及功能上顯著進步的半導體器件針對其元件或成分需要比先前更精細之規則，例如65至45 nm。此類半導體器件係形成於基板上，其係藉由拉晶方法產生之矽晶圓，例如丘克拉斯基(Czochralski)方法(CZ)或磁場施加丘克拉斯基方法(MCZ)。
矽晶圓需要在器件製造期間進入其的痕量金屬污染物之吸氣，使得器件具有改良良率及可靠度。因此，該等器件非常需要具有用於器件之作用區，其係限於點缺陷之聚合，例如晶格空位及間隙氧之沈澱物，例如塊體微缺陷(bulk micro defect；BMD)。點缺陷之聚合包括源於晶體之顆粒(crystal originated particle；COP)及雷射散射斷層攝影缺陷(laser scattering tomography defect；LSTD)。BMD表示八面體形式之微小非晶性氧化矽。
吸氣金屬污染物之傳統方式係藉由外質吸氣方法(EG)，其允許藉由後側損壞層、後側多晶矽層或磷雜質擴散層捕捉金屬污染物。吸氣金屬污染物之新方式係藉由本質吸氣方法(IG)，其使用形成於矽晶圓之塊體內的吸氣部位。現在，此IG方法普遍地用於半導體器件之產生。
用於藉由CZ或MCZ方法製備之矽晶圓的IG方法包括熱處理，其致使保留於矽晶圓內之超飽和間隙氧向外分離，從而在矽晶圓之塊體內形成BMD，引起次級位錯並且在其周圍堆疊錯誤，以及利用沉澱物及其周圍物作為用於金屬污染物之吸氣部位。此方法需要在作為器件作用區之表面層內防止BMD之出現。
已提議用於採用IG效應製備矽晶圓的數種方法。該等方法涉及熱處理，其控制超飽和間隙氧之沉澱，調整沉澱核、沉澱物及沉澱核之溶解以及間隙氧之擴散。例如，1100至1300℃下之高溫熱處理致使沉澱核變小或消失。此類熱處理亦致使氧從矽晶圓之表面層向外擴散，從而形成裸露區域(DZ)，其係在器件作用區內含有極小數量之BMD的無缺陷層。例如，500至900℃下之低溫熱處理形成大小及密度均勻的沉澱核。例如，大約1000℃下之中間溫度熱處理控制BMD及次級缺陷之生長或控制特定沉澱物之溶解。
BMD形成之現象視為等效於超飽和氣體至液滴之凝結。可依據基於統計熱力學之熱平衡就矽晶圓內之超飽和氧之凝結加以論述，下文將簡要提及。超飽和氧之凝結可視為以亥姆霍茲(Helmholtz)自由能在熱系統內變為最小的此一方式進行。熱系統內之亥姆霍茲自由能近似視為BMD之自由能與溶解於矽晶圓內之氧的自由能之和。BMD之自由能包括其內部能量、表面能量、應力場能量、電場能量及溫度-熵乘積。此處，從涉及於熱能之分佈內的狀態數量獲得熵。亦可從熱正則分佈之分配函數導出自由能。
BMD形成之闡述展現BMD之自由能取決於BMD之直徑並且存在BMD之自由能對於其變為最大的關鍵核直徑。小於晶核直徑之BMD在特定溫度下溶解以變小或消失。然而，BMD在相反情形中生長，使得熱系統呈現最小自由能。此處，關鍵核直徑與熱處理之溫度成比例地增加，並且其取決於氧之超飽和程度。
考慮BMD形成在矽晶圓均勻核內製成氧叢集。其他雜質(例如氮(N)及碳(C)，其降低BMD之自由能)以及晶格空位亦用作沉澱核。另外，矽晶圓內之p型或n型雜質變得活化以建立電場能量，從而影響氧沉澱。因此，製備具有上述IG效應之矽晶圓的一方式係藉由新增此類雜質(例如N及C)或藉由控制熱處理期間晶格空位之凍結。考慮到BMD之關鍵核直徑在取決於溫度之速率下增加以及考慮到BMD之實質生長速率，亦已提議控制加熱至熱處理溫度之速率或從熱處理溫度冷卻之速率的方法。該等方法之某些係在實際使用中。
在用於製備具有IG效應之矽晶圓的上述方法中有一意欲在矽晶圓之塊體內形成足夠BMD以及使作為上述DZ層內之內生長缺陷的晶格空位之聚合消失之方法，從而改良矽晶圓之品質。(參見日本專利第3171308號。)此方法特徵在於高溫熱處理係在還原氣體內執行，例如氫氣(H2 )，或惰性氣體，例如氬，其移除發生於聚合之空腔之內壁上的氧化物層(SiOx 層)，從而有效地使聚合消失。依此方式製備之矽晶圓以下將稱為退火晶圓。
依據迄今提議之另一方法，矽晶圓係以其允許足夠BMD形成於其塊體內並且其經歷矽磊晶生長的此一方式加以處理，使得具有良好結晶性之矽磊晶層係用作器件作用區。(參見日本專利特許公開案第2006-188423號。)藉由此方法製備之矽晶圓將稱為採用IG處理之磊晶晶圓。
同時，意欲用於高整合、高性能及高功能之半導體元件的微結構增加矽晶圓之表面層內的應力。此類應力之典型係發生於構成MISFET的精細圖案周圍之應力以及伴隨從採用n型或p型雜質之離子植入得出的殘餘應力之應力。(參見IEEE半導體製造學報2005年2月，第18卷，第1號，第19至25頁。)
用於此類器件之製造程序傾向於溫度降低及時間節省。例如，在低於1000℃之溫度下於擴散爐內執行熱處理已變得常見。溫度減低之另一範例係藉由低熱預算熱處理(例如閃光燈退火及雷射尖波退火)取代快速熱退火(rapid thermal annealing；RTA)，其在半導體器件之製造中的熱程序內已常見。附帶一提，RTA係藉由採用鹵素燈射線之照射進行的退火，其持續數秒鐘至數十秒鐘。反之，上述低熱預算僅佔用極短時間，例如數毫秒。此類器件製造程序涉及藉由熱處理減輕隨半導體元件變得更精細而增加之應力的困難。另外，藉由採用快速溫度上升及下降之低熱預算進行的熱處理致使熱應力在矽晶圓之表面層內增加。
上述半導體器件及製造程序中的最近趨勢導致採用IG處理之退火晶圓及磊晶晶圓，其不可避免地減低晶圓之表面層內之溶解氧的濃度。此狀況導致缺陷，例如由於晶圓之表面層內的增加應力引起之位錯，並且該等缺陷容易地傳播。因此，採用IG處理之退火晶圓及磊晶晶圓受半導體器件之良率由於晶圓之表面層內的增加應力而減低之缺點所影響。在較短時間內於較低溫度下實行之器件製造程序未補償器件製造期間晶圓之表面層內的溶解氧。無IG處理之矽磊晶晶圓亦遭遇此問題。
為了應付更精細器件結構，其增加晶圓之表面層內的應力，以及器件製造程序，其係在較短時間內於較低溫度下實行，已出現對於在晶圓通過器件製造程序前允許足夠數量之氧溶解於晶圓之表面層內並且防止位錯發生以及能夠固定位錯的矽晶圓之需求。
本發明之一目的係提供一矽晶圓(例如退火晶圓及磊晶晶圓)，該矽晶圓具有在其經歷器件製造程序前其表面層內的溶解氧之充分控制之濃度。
本發明之另一目的係提供一矽晶圓，其表面層具有良好結晶性以及高耐緊迫性並且其內部部分高度能夠吸氣金屬污染物。
依據本發明之一模式，矽晶圓係在從藉由拉伸生長之單晶矽錠切割後已經歷熱處理之一矽晶圓。此熱處理係在還原氣體或惰性氣體或其混合物之大氣內於1100至1300℃下執行。其引起矽晶圓之表面內的DZ層以及DZ層下之內部部分內的足夠數量之BMD。DZ層之表面部分含有氧，使得其中之溶解氧的濃度不低於1×1017 原子/cm3 。
依據本發明之另一模式，矽晶圓係在從藉由拉伸生長之單晶矽錠切割後具有形成於矽晶圓上之矽磊晶層的一矽晶圓。矽磊晶層含有氧，使得其表面內之溶解氧的濃度不低於1×1017 原子/cm3 。
依據本發明之較佳模式，溶解氧係分佈使得其濃度在從矽晶圓之表面向下2 μm之深度內最小，並且BMD之密度不高於2.5×107 塊/cm3 。
從矽晶圓之表面向下2 μm之深度內的溶解氧之濃度係在1.2至6.0×1017 原子/cm3 之範圍內，並且從矽晶圓之表面向下9 μm之深度內的溶解氧之濃度係在2.8至5.2×1017 原子/cm3 之範圍內。
將氧引入至DZ層之表面部分內或矽磊晶層之表面部分內係藉由含氧氣體內之熱處理並且確保快速冷卻來完成。
依據本發明之矽晶圓具有其表面層內之有限位錯並且由於其在通過半導體器件製造之程序前經歷退火或磊晶生長而高度能夠固定位錯，使得其表面部分含有足夠濃度內之溶解氧。
下文將參考圖1A至5說明依據本發明之具體實施例。
圖1A中所示之矽晶圓11(或退火晶圓)在其兩側上具有DZ層12a及12b。(DZ層12a及12b以下將統稱為DZ層12。)DZ層12係藉由還原氣體(例如氫氣(H2 ))或惰性氣體(例如氬(Ar))或其混合物之大氣內的熱處理來形成。熱處理係由如稍後詳細說明之加熱、保持及冷卻步驟組成。矽晶圓在DZ層12內部亦具有BMD之吸氣部位13。DZ層12在其表面部分內含有溶解氧14，其濃度及分佈係充分控制。
圖1B中所示之矽晶圓21(或磊晶晶圓)在其一側上具有矽磊晶層22。矽磊晶層22在其表面部分內含有溶解氧14，其濃度係充分控制。附帶一提，矽晶圓21在其塊體部分23內可含有用於鬆弛引致吸氣之吸氣部位，其係藉由在先前技術段落中說明之IG處理形成的BMD。另外，矽磊晶晶圓可係具有EG效應之一矽磊晶晶圓或具有用於隔離引致吸氣之p/p+ 結構的一矽磊晶晶圓。
DZ層12或矽磊晶層22在其表面部分內含有溶解氧14，使得其濃度不低於1×1017 原子/cm3 ，如圖2中所示。圖2中之橫座標代表從矽晶圓11或21之表面的深度，並且圖2中之縱座標代表溶解氧之濃度。圖2中之點線代表先前技術內之退火晶圓內的氧濃度之一般分佈，而圖2中之虛線代表矽磊晶晶圓內之氧濃度的一般分佈。任一情形中的氧濃度係1016 原子/cm3 之等級。退火晶圓及磊晶晶圓內之實際氧濃度分別係6×1016 原子/cm3 及3×1016 原子/cm3 ，其係藉由次級離子質譜法(SIMS)決定。
溶解氧14之濃度及深度分佈係適當加以控制。圖2中之實線(a)指示溶解氧14之濃度在從晶圓表面至2 μm之深度的區內具有最小值，並且在從2 μm之深度至20 μm之深度的區內單調增加，以及最終在塊體部分內達到1×1018 原子/cm3 之值。反之，圖2中之實線(b)指示溶解氧14之濃度在從晶圓表面至20 μm之深度的區內單調增加，並且在塊體部分內達到1×1018 原子/cm3 之值。另外，圖2中之實線(c)指示溶解氧14之濃度在從晶圓表面至2 μm之深度的區內增加，並且之後以最小值及最大值單調增加至20 μm之深度，以及最終在塊體部分內達到1×1018 原子/cm3 之值。
溶解氧14應如圖2中之實線(a)所指示較佳地分佈，使得從矽晶圓11或21之表面至2 μm之深度的區內存在最小值。溶解氧之濃度在從矽晶圓之表面至2 μm之深度的區內最好應係1.2至6.0×1017 原子/cm3 ，以及在從矽晶圓之表面至9 μm之深度的區內係2.8至5.2×1017 原子/cm3 。
完成的矽晶圓11或21在從表面至2 μm之深度的區內具有不高於2.5×107 塊/cm3 的BMD(大於20 nm)之密度。此等級之BMD的密度對半導體器件之性能無不利影響。此外，其有效地防止位錯發生並且在形成於距矽晶圓之表面0.3 μm或更小之深度內的半導體器件之井層內傳播。
溶解氧14之濃度及深度分佈可以各種方式加以調整及控制。以下係用於產生待製成矽晶圓11或21之退火晶圓及矽磊晶晶圓之程序以及用於將溶解氧14注入至其中並且控制其中溶解氧14的濃度之方法的詳細說明。
(退火晶圓之製備)
退火晶圓係從矽晶圓製備，其係從藉由CZ方法拉伸及生長之單晶矽錠切割。其兩側或一側係經過鏡面拋光。其含有晶體內之氧，使得間隙氧(Oi)之濃度係1.0至1.8×1018 原子/cm3 。
為了製備退火晶圓，採用如圖3中所示之溫度變化將若干原始矽晶圓放置於用於批次熱處理之水平或垂直擴散爐內。熱處理係在還原氣體(例如氫氣(H2 ))或惰性氣體(例如氬(Ar))或其混合物之大氣內執行。熱處理包括受控加熱、預定保持及受控冷卻之三個階段。
附帶一提，還原氣體亦可係氫化合物氣體，例如NH3 及N2 H2 ，而惰性氣體亦可係氦、氖或氪。
熱處理係依據圖3中所示之溫度剖面來執行。在5至100℃/min之速率下將溫度從室溫升高至900℃。在1至15℃/min之速率下將溫度從900℃升高至1200℃。將溫度保持恆定在1100℃至1300℃達1分鐘至48小時。最後，在3℃/min之速率下將溫度向下降低至700℃。
普通加熱致使BMD之關鍵核直徑隨溫度增加。然而，上述充分控制之加熱致使BMD變小且消失，並且藉由如先前技術段落中解釋之低溫熱處理形成沉澱核。中間溫度下之熱處理致使BMD生長於塊體內並且致使氧向外擴散於表面層內，從而減小氧濃度。
溫度保持階段致使更多氧從表面層向外擴散，從而加速BMD之消失。其亦有效地消除保留於表面層內的晶格空位之聚合(其係內生長缺陷)，從而導致具有高結晶性之DZ層。
在此階段期間，氧擴散於晶圓之塊體內，從而致使BMD收縮；然而，氧減少不足以完全消除BMD。
在冷卻階段中，由於低冷卻速率BMD理論上也應生長於表面層內；然而在實務中，因為氧由於其向外擴散而減低，BMD未形成而DZ層形成。反之，BMD再次在塊體內沉澱及生長。因此，DZ層在晶圓之兩側上形成並且所需密度之BMD在塊體內形成。
施加足夠控制，使得圖1A中所示之DZ層12a及12b具有大約10 μm之厚度，具有不高於107 塊/cm3 之BMD之密度(大於20 nm)，並且含有多至大約1016 原子/cm3 之溶解氧。
所得退火晶圓在其塊體內具有5×108 至5×109 塊/cm3 之BMD密度，並且具有由BMD及其周圍次級位錯及層壓缺陷構成之吸氣部位13。由於BMD密度在塊體內低於5×108 塊/cm3 ，退火晶圓在半導體器件之製造程序中不會完全產生吸氣金屬污染物之效應。另一方面，由於BMD密度高於5×109 塊/cm3 ，退火晶圓顯著受翹曲影響。
(矽磊晶晶圓之製備)
藉由在如圖1B中所示的原始矽晶圓之表面上藉由化學汽相沉積(CVD)生長矽磊晶層22(大約10 μm厚)製備矽磊晶晶圓。
用以形成矽磊晶層的用於磊晶生長之CVD使用正常壓力或減小壓力下的饋送氣體，例如SiH4 、SiH2 Cl2 、SiHCl3 及SiCl4 。CVD亦使用H2 氣體作為稀釋氣體，並使用PH3 或B2 H6 作為摻雜氣體。用於CVD之溫度係調整至1000至1250℃。
磊晶生長可按所得矽磊晶層與導電類型(例如p/p+ 或n/n+ )內之矽基板相同或不同的此一方式完成。
附帶一提，採用IG處理之磊晶晶圓可係從上文已參考圖3解釋的採用IG處理之退火晶圓製備。或者，IG處理可係藉由高溫、中等溫度及低溫下的熱處理之足夠組合完成，如上文先前技術段落中所解釋，使得BMD之吸氣部位係在矽晶圓之塊體內同樣必要地形成。在此情形中，DZ層可極小或為空。高溫下之IG處理可在包括稀釋氧的氧化氣體之大氣內完成。亦可能使用含有足夠數量之雜質(例如N及C)的原始矽晶圓，該等雜質用作用於BMD之沉積核，如上文先前技術段落中所解釋。此技術意欲減小沉積核在磊晶生長過程中變小的可能性。用於IG處理之前述程序不同於用於製備退火晶圓的程序。
矽磊晶晶圓具有圖1B中所示之矽磊晶層22，其含有1016 原子/cm3 之等級之數量的溶解氧。另外，所得矽磊晶層22係無COP(晶格空位之聚合)之高品質結晶層。
(溶解氧之注入及濃度控制)
下文說明如何將溶解氧注入至退火晶圓之DZ層12的外部分或矽磊晶晶圓之矽磊晶層22的外部分內，以及如何調整及控制溶解氧。外部分係如上文先前技術段落中所解釋之器件作用區。其表示從晶圓表面深大約5 μm之區，且深度根據半導體器件之類型改變。溶解氧之注入及濃度控制可如以下所解說按各種方式完成。
(1)用於等溫熱處理及快速高溫處理之方法
此方法意欲用於退火晶圓或矽磊晶晶圓以在能夠採用圖4中所示之溫度剖面快速冷卻的爐內經歷熱處理。在氧氣(O2 )、具有稀有氣體或惰性氣體(例如氮氣)之稀釋氧氣或含氧氣體(例如H2 O、NO2 及NO)之大氣內，爐實行等溫熱處理及其後快速冷卻。熱處理爐內之大氣可減壓或加壓。熱處理爐應較佳地係能夠快速加熱及冷卻之一熱處理爐，例如採用燈加熱之RTA裝置。對於批次操作，熱處理爐應具有一小熱容量並且具備強制冷卻機制。
如圖4中所示，等溫熱處理維持T1 之恆定溫度達規定時間週期t。如圖4中所示，此階段之後係在預定冷卻速率(△T/min)下從T1 至T0 之快速冷卻。該等參數T1 、t及△T/min控制溶解氧之注入及濃度。在等溫熱處理期間，稀釋氧氣可隨時間改變濃度，使得溶解氧之分佈根據需要在矽晶圓之表面層內改變。
如圖1A及1B中所示，前述程序致使溶解氧14引入至退火晶圓之DZ層12的外部分或矽磊晶晶圓之矽磊晶層22的外部分內，且溶解氧之濃度及分佈係適當加以控制。
從室溫加熱至T1 應在低至足以使缺陷(例如滑移)在晶圓內不發生的加熱速率下實行。此步驟可在惰性氣體或含氧氣體之大氣內完成。
等溫熱處理稍微氧化曝露於氧化氣體的晶圓之表面。稍微氧化之表面防止晶格空位在快速冷卻之確保階段中注入及凍結至晶圓之表面層內。
含氧大氣內之等溫加熱及快速冷卻需要用於等溫加熱之溫度(T1 )係在1000℃至1300℃之範圍內，溫度(T0 )係在700℃至900℃之範圍內，保持時間(t)係在數秒至數十分鐘之範圍內，冷卻速率(△T/min)係在10℃/min至100℃/min之範圍內，以及引入至晶圓之表面層內的溶解氧之濃度係在1×1017 原子/cm3 至1×1018 原子/cm3 之範圍內。
溶解氧14之濃度與熱處理溫度T1 及保持時間t成比例地增加。關於低冷卻速率(△T/min)，溶解氧14係分佈使得其濃度從晶圓表面向內單調增加，如圖2中之實線(b)所指示。相反，關於高冷卻速率(△T/min)，溶解氧14係分佈使得其濃度在晶圓之表面層內達到最小值或最大值，如圖2中之實線(a)及(c)所指示。實線(a)與(c)之間的差異在於用於等溫熱處理之溫度T1 。實線(a)與(c)分別表示1000℃及1200℃下之熱處理。
在大於100℃/min之冷卻速率(△T/min)下的冷卻致使滑移容易地發生於晶圓內。因此，需要用以減小晶圓內溫度差異之控制。
(2)用於在退火晶圓之製備期間切換氧氣之方法
在圖5中解說之此方法意欲用於退火晶圓製備及溶解氧注入之連續程序。用於此程序之原始矽晶圓係藉由CZ方法拉伸及生長的一原始矽晶圓，且其一側或兩側經鏡面拋光。該矽晶圓含有晶體內之氧，使得間隙氧(Oi)之濃度係1.0至1.8×1018 原子/cm3 。
程序始於按與上文針對退火晶圓之製備所解釋者相同的方式將大量原始矽晶圓放置於熱處理爐內，例如水平或垂直擴散爐。為了製備退火晶圓，熱處理爐係充滿稀有氣體(例如氬)之大氣，並且依據足夠加熱、保持及冷卻方案執行熱處理。
熱處理係依據圖5中所示之溫度剖面來執行。在5至100℃/min之速率下將溫度從室溫升高至900℃。在1至15℃/min之速率下將溫度從900℃進一步升高至1200℃。將溫度保持恆定在1100℃至1300℃。第一具體實施例中之加熱致使BMD變小且消失以及形成沉澱核。第二具體實施例中之加熱致使BMD生長於塊體內並且致使氧向外擴散於表面層內。
接著，將矽晶圓保持在1100℃至1300℃達規定時間週期。此步驟致使更多氧向外擴散於表面層內並且亦致使BMD消失。因此，獲得具有高結晶性之DZ層，且殘餘內生長缺陷(晶格空位之聚合)在表面層內消失。
冷卻係在兩個階段內執行。在第一階段中，在3℃/min或更小之冷卻速率下將溫度降低至T2 。在溫度T2 下，將稀有氣體(例如氬)切換至用於溶解氧之注入的含氧氣體。含氧氣體可係100%氧或含有氧之任何氣體。溫度T2 係保持規定時間週期。接著在10℃/min或更大之速率下繼續向下冷卻至700℃。在此冷卻階段期間，維持含氧氣體之大氣。
對於溶解氧之注入重要的係在其下切換氣體之溫度。此溫度範圍從1100℃至1300℃。隨著氣體切換溫度上升，溶解氧之濃度在晶圓之表面層內相應地增加。然而，即使保持時間從0改變至20分鐘，其具有極少效應。若冷卻速率係10℃/min且氣體切換溫度T2 係1100℃，保持時間應係5分鐘或更長，使得氧濃度在晶圓之表面層內高於1×1017 原子/cm3 。若氣體切換溫度T2 高於1150℃，可省略保持時間，在此情形中氧濃度在晶圓之表面層內高於1×1017 原子/cm3 。在大氣係含氧氣體之情形中，如上文針對等溫熱處理及快速溫度上升熱處理所解釋，可允許對水平或垂直爐盡可能快速之冷卻。
附帶一提，在以上段落(1)及(2)中已提及的用於溶解氧之注入及濃度控制的方法可應用於藉由熱處理將溶解氧引入至退火晶圓之DZ層的表面部分或矽磊晶層之表面部分內，其之後為含氧氣體之大氣內的快速冷卻。
(3)用於氧離子之引入的方法
均顯示於圖1中的矽磊晶晶圓之退火晶圓或矽磊晶層22的DZ層12a兩者經歷氧離子至其表面內的注入。氧離子之劑量範圍從1011 至1013 離子/cm2 ，並且用於注入之能量範圍從50至500 keV。由於劑量及能量根據時間改變，可能在晶圓之深度方向上控制溶解氧14之濃度。在注入氧離子後，晶圓在熱處理爐內可經歷大約1100℃下之RTA或大約900℃下之退火，使得注入氧改變成溶解間隙氧。
(4)其他方法
除上述用於將溶解氧注入至退火晶圓之DZ層或矽磊晶晶圓之矽磊晶層內的方法外，存在另一方法。其係氧之電漿摻雜。依據該方法，將晶圓曝露於已在容器內產生的氧電漿達預定時間週期。電漿激發在容器內的減小壓力下發生於氧氣內，並且將氧電漿內之氧離子注入至晶圓表面內。此步驟之後係在熱處理爐內大約1100℃下之RTA及大約900℃下之退火，使得注入之氧離子係以間隙氧之形式溶解。
依據此具體實施例，退火晶圓或矽磊晶晶圓在其器件製造程序前經歷前述步驟，使得足夠數量之氧係溶解於晶圓之表面內，且溶解氧之濃度及分佈係適當加以控制。依此方式，總是獲得在其表面層內具有良好結晶性及高耐緊迫性並且高度能夠吸氣其內部的金屬污染物之矽晶圓。另外，此矽晶圓具有其自己的特性，而無在藉由CZ方法或MCZ方法產生單晶期間或其器件製造程序期間矽晶圓經歷的熱歷史。
即使上述聚矽氧晶圓在較短時間內於較低溫度下經歷半導體器件(具有更精細結構及更高應力)之製造，聚矽氧晶圓(其係退火晶圓或矽磊晶晶圓)容易地防止其表面層內的缺陷(例如位錯)之出現及傳播。因此，依據本發明之具體實施例的矽晶圓將允許具有小於32 nm的設計規則(其係高度整合、高度功能且能夠提供高性能)之半導體器件的產生，同時保持良好良率。
範例
以下範例示範本發明之效應，儘管其並非意欲限制本發明之範疇。該等範例中之處理係在從藉由CZ方法拉伸及生長的單晶矽錠切割之8英吋矽晶圓上實行。原始矽晶圓具有1.4×1018 原子/cm3 之間隙氧(Oi)的初始濃度。原始矽晶圓係製成退火晶圓，該退火晶圓在其後經歷溶解氧至其表面層內之注入。在製備退火晶圓之階段中及在繼溶解氧之注入之後的階段中藉由次級離子質譜法(SIMS)決定矽晶圓內之氧濃度，並且藉由紅外線散射斷層攝影測量DZ層之深度及BMD數量。
範例1
製備退火晶圓，然後其藉由等溫加熱及快速加熱至用於將溶解氧注入至其表面層內的高溫經歷熱處理，且溶解氧之濃度係適當加以控制。用以製備退火晶圓之熱處理係在氫氣之大氣內於正常加熱及冷卻速率下執行，且加熱溫度係維持在1200℃下達1小時。如此製備之退火晶圓(其將稱為氫退火晶圓)在以下條件下於薄片饋送RTA裝置內經歷溶解氧至其表面層內之注入。
．大氣：乾燥氧氣．等溫加熱溫度T1 ：1100℃．保持時間t：0.5分鐘．T1 與T0 (700℃)之間的冷卻速率(△T/min)：100℃/min
圖6顯示矽晶圓內之氧濃度的深度分佈。實線表示依據範例1之矽晶圓內的濃度分佈，其中將溶解氧注入至上述退火晶圓之表面層內。虛線表示依據比較範例1之氫退火晶圓內的濃度分佈。附帶一提，晶圓的氧化矽膜係從其表面移除。
從圖6應注意依據範例1之晶圓在從其表面至1 μm之深度(由點線指示)的區內具有最小氧濃度。此最小值係略高於1×1017 原子/cm3 ，且晶圓之最外表面附近的濃度大約係2×1017 原子/cm3 。氧濃度在從距晶圓表面2 μm之深度(由鏈線指示)至20 μm之深度的區內單調增加，並且在塊體內達到大約1.2×1018 原子/cm3 。
在依據比較範例1之氫退火晶圓的情形中，氧濃度在晶圓表面附近係大約6×1016 原子/cm3 ，並且如範例1中其在從晶圓表面至1 μm之深度的區內單調增加，以及在塊體內達到大約1.2×1018 原子/cm3 。
DZ層之深度在範例1及比較範例1兩者中係11.4 μm。DZ層內之BMD數量小於藉由紅外線散射斷層攝影進行之偵測限度(107 塊/cm3 )。塊體內之BMD數量在範例1及比較範例1兩者中係大約1.7×109 塊/cm3 。
範例2
製備退火晶圓，且製備程序緊接之後為藉由切換大氣氣體將溶解氧注入至其表面層內。用以製備退火晶圓之熱處理係在氬大氣氣體內執行，且保持溫度係1200℃以及保持時間係0.5小時。加熱程序係一正常加熱程序。由於溫度係保持在1200℃，將氬切換至乾燥氧氣，並且維持相同溫度達5分鐘。由於將大氣氣體切換至乾燥氧氣，溫度係在5℃/min之冷卻速率下降低至700℃。對於比較範例2，除了在熱處理期間不將氬切換至乾燥氧氣外，重複上述相同程序。所得退火晶圓稱為氬退火晶圓。
圖7顯示矽晶圓內之氧濃度的深度分佈。實線表示依據範例2之矽晶圓內的濃度分佈。虛線表示依據比較範例2之氬退火晶圓內的濃度分佈。附帶一提，晶圓的氧化矽膜係從其表面移除。
從圖7應注意依據範例2之晶圓具有在從晶圓表面至2 μm之深度(由鏈線指示)的區內急劇減低之氧濃度。氧濃度在晶圓表面附近係大約1.3×1017 原子/cm3 ，並且其在具有距晶圓表面2至20 μm之深度的區內單調增加，以及在塊體內達到大約1.3×1018 原子/cm3 。
在依據比較範例2之氬退火晶圓的情形中，如範例2之情形中，氧濃度在從2 μm之深度(由鏈線指示)的區內減低，並且接著在從1 μm之深度(由點線指示)至晶圓表面的區內比範例2之情形中更急劇地減低。氧濃度在晶圓表面附近係5.2×1017 原子/cm3 。如範例2中，氧濃度在具有距晶圓表面2至20 μm之深度的區內單調增加，並且在塊體內達到大約1.3×1018 原子/cm3 。
DZ層之深度在範例2及比較範例2兩者中係大約10 μm。在範例2及比較範例2兩者中，DZ層內之BMD數量係小於2.5×107 塊/cm3 ，並且塊體內之BMD數量係大約5×108 塊/cm3 。
從前述範例已證明可將足夠數量之溶解氧簡單及有效地注入至退火晶圓之表面層內，且濃度分佈係根據需要加以控制。針對形成於其表面內的位錯之傳播檢驗具有注入於其中之溶解氧的矽晶圓。結果顯示作為器件作用區之表面層展現高耐緊迫性。
本發明已就其較佳形式之具體實施例及範例加以說明，其並非意欲限制本發明之範疇。應瞭解，熟習本技術之人士可在本發明內作出各種變化及修改，而不背離其精神及範疇。
在前述範例中，藉由使用稀有氣體作為稍後切換至氧氣的大氣氣體製備退火晶圓。然而，在使用氫作為大氣氣體的情形中可使用與上文幾乎相同的程序。在此情形中，需要在切換至含氧氣體前於氣體切換溫度下以稀有氣體取代氫氣。
用於本發明之矽晶圓不受其直徑、電阻率及導電類型之限制。其可係SOI(絕緣物上矽)晶圓。
附帶一提，用於此說明書中的間隙氧(Oi)之濃度係基於依據舊ASTM之轉換因數。
11．．．矽晶圓
12a．．．DZ層
12b．．．DZ層
13．．．吸氣部位
14．．．溶解氧
21．．．矽晶圓
22．．．矽磊晶層
23．．．塊體部分
本發明之具體實施例已基於以下圖式予以詳細說明，其中：圖1A係顯示屬於本發明之具體實施例的退火晶圓之斷面圖；圖1B係顯示屬於本發明之具體實施例的磊晶晶圓之斷面圖；圖2係顯示屬於本發明之具體實施例的矽晶圓之深度方向上的溶解氧之濃度分佈的圖表；圖3係顯示用於依據本發明之具體實施例的退火晶圓之製備的熱處理內之溫度剖面之一範例的圖式；圖4係顯示用於依據本發明之具體實施例的矽晶圓之表面層內的氧注入及氧濃度控制之熱處理內的溫度剖面之一範例的圖式；圖5係顯示意欲用於依據本發明之具體實施例的退火晶圓製備及溶解氧注入之連續程序的熱處理之一範例的圖式；圖6係顯示依據本發明之範例1的矽晶圓內之氧濃度之深度分佈的圖表；以及圖7係顯示依據本發明之範例2的矽晶圓內之氧濃度之深度分佈的圖表。
11．．．矽晶圓
12a．．．DZ層
12b．．．DZ層
13．．．吸氣部位
14．．．溶解氧
21．．．矽晶圓
22．．．矽磊晶層
23．．．塊體部分

Claims (5)

  1. 一種矽晶圓，其係在還原氣體、稀有氣體或其等之混合氣體中，對將單晶矽錠拉伸生長而形成之矽晶圓進行1100℃至1300℃溫度之熱處理，該矽晶圓分別於其表面形成有DZ層、於較該DZ層內部之處形成有BMD，其中氧被引入至該DZ層之表面部分，該表面部分之溶解氧係於該表面部分之深度方向上具有濃度分布，該矽晶圓表面至2μm深度之範圍區域內，上述溶解氧之分布係濃度為1×1017 原子/cm3 以上，且其濃度具有最小值，且BMD密度為2.5×107 塊/cm3 以下。
  2. 一種矽晶圓，其係於將單晶矽錠拉伸生長而形成之矽晶圓上設有矽磊晶層之矽磊晶晶圓，其中氧被引入至該矽磊晶層之表面部分，該表面部分之溶解氧係於該表面部分之深度方向上具有濃度分布，該矽晶圓表面至2μm深度之範圍區域內，上述溶解氧之分布係濃度為1×1017 原子/cm3 以上，且其濃度具有最小值，且BMD密度為2.5×107 塊/cm3 以下。
  3. 如請求項1之矽晶圓，其中溶解氧之濃度在該矽晶圓之表面至深度2μm處，其範圍為1.2~6.0×1017 原子/cm3 ，在該矽晶圓之表面至深度9μm處，其範圍為2.8~5.2×1017 原 子/cm3 。
  4. 如請求項2之矽晶圓，其中溶解氧之濃度在該矽晶圓之表面至深度2μm處，其範圍為1.2~6.0×1017 原子/cm3 ，在該矽晶圓之表面至深度9μm處，其範圍為2.8~5.2×1017 原子/cm3 。
  5. 如請求項1至4中任一項之矽晶圓，其中將氧引入至該DZ層之表面部分或該矽磊晶層之表面部分內係藉由於含氧氣體中之熱處理及後續之急速降溫處理而進行。
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